DE3105002A1 - Vorrichtung zur zerstoerungsfreien messung der dicke einer oberflaechenschicht - Google Patents

Description

Anmelderin: Stuttgart, den 09.Februar 198I

P 4000 S-C Centro Rlcerche Fiat S.p.A. Strada Torino, 50 10043 Orbassano (Turin) Italien

Vertreter:

Kohler-Schwindling-Späth Patentanwälte Hohentwielstr. 41 7000 Stuttgart 1

Vorrichtung zur zerstörungsfreien Messung der Dicke einer Oberflächenschicht

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Messung der Dicke der Oberflächenschicht eines Körpers, der einer Behandlung zur Veränderung der Oberflächenstruktur unterworfen worden ist.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Messung der Härtungstiefe.

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Gegenwärtig bekannte Vorrichtungen zur zerstörungsfreien Messung der Härtungstiefe beruhen auf dem Prinzip der parasitären Ströme und umfassen gewöhnlich eine Induktionsspule, einen die Induktionsspule speisenden Oszillator und Einrichtungen zur Messung der Spannung und des Stromes, mit denen die Spule gespeist wird. Beim Gebrauch wird die Induktionsspule so angeordnet, daß sie dem zu prüfenden Körper in solcher Weise gegenübersteht, daß das von der Spule erzeugte magnetische Feld die Oberflächenschicht des Körpers durchdringt. Infolgedessen werden in der Oberflächenschicht parasitäre Ströme induziert, die ein Magnetfeld erzeugen, das zu dem von der Spule induzierten Feld entgegengesetzt gerichtet ist, wodurch die Intensität des Stromes, den die Spule vom Oszillator aufnimmt, in Abhängigkeit von der Dicke der Schicht, die dem Härtungsprozeß ausgesetzt war, modifiziert wird. Dies liegt daran, daß das Material der gehärteten Schicht einen größeren spezifischen Widerstand aufweist als die gleiche Schicht des ungehärteten Materials, so daß das Härten eine Verminderung der parasitären Ströme und des davon erzeugten Magnetfeldes zur Folge hat. Das Vorliegen einer gehärteten Schicht führt infolgedessen zu einer Variation des von der Spule aufgenommenen Stromes oder auch zu einer Variation der Spulenimpedanz, und es hängt das Ausmaß dieser Variation von der Dicke der Schicht ab. Obwohl Vorrichtungen der vorstehend beschriebenen Art in erheblichem Umfang benutzt werden, sind sie zur Messung von Härtungstiefen in der Größenordnung von 10 bis 15 mm ungeeignet. Dies liegt daran, daß das Eindringen des magnetischen Feldes in den zu untersuchenden Körper durch den Skineffekt beeinflußt wird, der den Frequenzbereich der Signale, die vom Oszillator geliefert werden, auf Werte zwi-

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sehen 3 und 20 Hz beschränkt, was einer maximalen Eindringtiefe von 2 bis 3 mm entspricht. Größere Härtungstiefen können mit diesen Vorrichtungen nicht gemessen werden, weil die Meßfehler sogar 100 % der tatsächlichen Dicke der zu messenden Schicht erreichen können.

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die insbesondere die zerstörungsfreie Messung der Härtungstiefe gestattet und welche die Nachteile nicht aufweist, welche den bekannten Vorrichtungen der beschriebenen Art anhaften.

Demgemäß wird durch die Erfindung eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Messung der Dicke der Oberflächenschicht eines Körpers, der einer Behandlung zur Veränderung der Oberflächenstruktur unterworfen worden ist, geschaffen, die gekennzeichnet ist durch

einen elektroakustischen Sendewandler und einen elektroakustischen Empfangswandler, welche Wandler auf einander entgegengesetzten Seiten des Körpers einander gegenüberstehend angeordnet sind,

einen den Sendewandler speisenden Oszillator, und

einen Phasendifferenzmesser, von dessen Eingängen der eine mit dem Sendewandler und der andere mit dem Empfangswandler verbunden ist und der an seinem Ausgang ein von der Phasendifferenz der an seinen Eingängen anliegenden Signale abhängiges Signal liefert.

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Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines nicht einschränkenden Ausführungsbeispieles anhand der beigefügten Zeichnung. In der Zeichnung zeigen

Pig. 1 und 2 Darstellungen zur theoretischen Erläuterung der zur Messung der Härtungstiefe verwendeten Vorrichtung,

Fig. 3 eine teils schematiche, teils perspektivische Darstellung einer Vorrichtung nach der Erfindung, und

Flg. 4 ein Diagramm, das die Variation einer mit der Vorrichtung nach Fig. 3 gemessenen Größe veranschaulicht.

Wie in Fig. 1 dargestellt, sind auf einander diametral gegenüberliegen Seiten eines homogenen Testkörpers 10 der Dicke L elektromechanische Wandler, nämlich ein Sendewandler 11 und ein Empfangswandler 12, angeordnet. Es kann sich dabei um piezoelektrische Wandler handeln. Dem Sendewandler 11 wird auf eine in Fig. 1 nicht näher dargestellte Weise ein sinusförmiges Signal mit einer Frequenz zugeführt, die in der Größenordnung von einigen Megahertz liegt und beispielsweise 5 MHz betragen kann.

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In Pig. 2 bezeichnet die Bezugsziffer 10 den gleichen Testkörper wie in Fig. 1, jedoch nach einer Härtebehandlung, als deren Folge eine Oberflächenschicht 14 der Dicke a entstanden ist und die Dicke des Testkörpers 10 eine Änderung tfh erfahren hat.

Fig. 3 veranschaulicht den Testkörper 10, der eine zylindrische Gestalt besitzt, eingetaucht in eine Flüssigkeit, wie Wasser oder öl, die sich in einem Behälter 15 befindet. In nicht dargestellter Weise sind Tragschlitten für den Testkörper 10 vorgesehen, die es ermöglichen, dem Testkörper eine Axialbewegung und/oder eine Drehung um seine Achse zu erteilen. Die Wandler 11 und 12 werden von einander gegenüberliegenden Wänden des Gefäßes 15 in solcher Weise gehalten, daß sich der Prüfkörper 10 in dem Weg befindet, auf dem vom Wandler 11 erzeugte Ultraschallwellen den Wandler 12 erreichen, wie es in Fig.2 dargestellt ist. In Fig. 3 ist der Wandler 11 an den Ausgang eines Sinus-Oszillators 16 angeschlossen, der ein Signal von 5 MHz erzeugt und auch den ersten Eingang eines Phasendifferenzmessers 17 speist. Der letztere hat einen zweiten Eingang, dem das elektrische Signal zugeführt wird, welches von dem Empfangswandler 12 erzeugt wird, sowie einen Ausgang, an dem ein elektrisches Signal vorhanden ist, das der Phasendifferenz zwischen den beiden an seinen Eingängen anliegenden Signalen proportional ist. Der Ausgang ist mit einem Anzeigegerät 18 verbunden.

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Die Wandler 11 und 12, der Oszillator 16, der Phasendifferenzmesser 17 und das Anzeigegerät 18 bilden die Gesamtvorrichtung 20 zur Messung der Härtungstiefe des Testkörpers in der nachfolgend beschriebenen Weise.

In Fig. 4 bezeichnet die Bezugsziffer 21 einen Testkörper, der eine gehärtete Schicht 22 der Dicke a aufweist, die in Längsrichtung des Körpers die Länge d aufweist. Eine unterhalb des Testkörpers 21 aufgetragene Kurve veranschaulicht die Variation des Phasendifferenzsignales ßf, das von dem Phasendifferenzmesser 17 erzeugt wird, wenn die Axialstellung des Testkörpers 21 in Bezug auf die Wandler 11 und 12 geändert wird.

Die Wirkungsweise der Vorrichtung 10 wird zunächst in theoretischer Hinsicht unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 und unter Verwendung der Symbole f, c und c - j«fc| beschrieben, welche das vom Wandler 11 abgestrahlte Signal bzw. die Schallgeschwindigkeit im Testkörper 10 bzw. die Schallgeschwindigkeit in der gehärteten Schicht Ik des Testkörpers 10 angeben.

Unter diese Bedingungen beträgt die Phasendifferenz J^ zwischen dem in Pig. 1 vom Wandler 12 empfangenen und vom Wandler 11 abgestrahlten Signal

0. = 2JX f L. (D

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f.

Ist der Testkörper 10 gehärtet (siehe Fig.2), wird die Phasendifferenz zwischen dem abgestrahlten und dem empfangenen Signal zu

0p = 2:7t f 2a + 2Tt f (L₊^L- 2a).

c -|oTc| c (2)

Die Oberflächenhärtung des Testkörpers 10 hat demnach eine Änderung cf$f der Phasenverschiebung zwischen den abgestrahlten und den empfangenen Signalen zur Folge, die sich ergibt zu

Es erscheint plausibel, daß die Expansion </L des Testkörpers 10 als Ergebnis des Härteprozesses zur Dicke a der gehärteten Schicht 14 proportional ist, so daß </L/a ebenso
als Materialkonstante betrachtet werden kann wiel</c[/c. Bei einem betrachteten speziellen Fall der Härtung ist cTh/a. in der Größenordnung von 10" , wogegen j^cj/c in der Größenordnung von 10~ist. Infolgedessen ist eiL/2a gegenüber lefcl/c
vernachlässigbar, und es kann Gl.(3) einfach geschrieben
v/erden

a, (H)

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in welchem Ausdruck bei gleichen Werten der Frequenz f die Größe K ausschließlich von den Materialeigenschaften abhängt. Beim Gebrauch kann die Konstante K ein für allemal für einen bestimmten Materialtyp festgestellt werden, in dem ^x]und !2fpfür den gleichen Testkörper bestimmt und die effektiven Werte mittels einer zerstörenden Prüfung festgestellt werden, so daß c/jgf und a bekannt und daher K aus Gl. (4) bestimmt werden kann. Mit bekanntem K ergibt Gl. (4) die Werte der Schichtdicke a, wenn die Werte 0^ und ζ^ρ für beliebige Testkörper bestimmt werden.

Die Messung der Härtungstiefe des Testkörpers 10, wie er insbesondere in Fig.3 dargestellt ist, wird in zwei getrennten Schritten ausgeführt, während denen zunächst ß. für einen ungehärteten Referenz-Testkörper gemessen wird (Fig.l), wogegen während des zweiten Schrittes 0p für einen gehärteten Testkörper gemessen wird (Fig. 2). Die Werte von jeLund {^werden von dem Phasendifferenzmesser 17 ermittelt, der die elektrischen Signale vergleicht, die dem Sendewandler 11 zugeführt bzw. von dem Empfangswandler 12 geliefert werden. .

Die Verteilung der gehärteten Zone hat häufig die in Fig.4 veranschaulichte Gestalt. In diesem Fall ergibt eine axiale Verschiebung des Testkörpers die beiden Werte 0^,und 0LI aufeinanderfolgenden Zeitabschnitten, so daß der Wert nämlich 0£-0^, tatsächlich der zum Einsetzen in Gl.(4) benötigte Wert ist, um die Härtungstiefe a zu berechnen

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Endlich könnte das Anzeigegerät 18 zweckmäßig als Punktion der Phasenmessungen für einen speziellen Testkörper geeicht werden, so daß er unmittelbar de Wert der Härtungstiefe a anzeigt.

Eine Betrachtung der Eigenschaften der erfindungsgemäßen Vorrichtung 20 läßt erkennen, daß die Vorrichtung die Nachteile der bekannten Vorrichtungen nicht mehr aufweist.

In dieser Hinsicht ist von Bedeutung, daß die lineare Beziehung nach Gl. (4), welche die Phasendifferenz tfß zu der Härtungstiefe a in Beziehung setzt, für alle Werte der Härtungstiefe a gilt. Die Vorrichtung 20 liefert in allen Fällen eine Anzeige der Härtungstiefe a in einfacher und genauer Weise und kann daher vorteilhaft selbst von weniger qualifiziertem Personal benutzt werden.

Endlich ist es ersichtlich, daß die nach der Erfindung ausgebildete Vorrichtung 20 in vielfältiger Weise modifiziert werden kann, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. So kann beispielsweise eine solche Vorrichtung, obwohl sie mit Bezug auf die Messung der Härtungstiefe beschrieben worden ist, zur Messung der Dicke einer Oberflächenschicht eines Körpers benutzt werden, der einer beliebigen Behandlung zur Modifikation der Oberflächenstruktur unterworfen worden ist, beispielsweise einer Behandlung, bei der eine Oberflächendiffusion oder Absorption von Fremdstoffen stattfindet. In noch allgemeinerem Sinne können die Daten, die von der Vorrichtung 20 geliefert werden, eine wertvolle Informations-

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quelle zum Aufspüren innerer Defekte eines zu prüfenden Körpers bilden, vorausgesetzt, daß solche Defekte eine Änderung der Schallgeschwindigkeit gegenüber dem Normalwert der Schallgeschwindigkeit in dem Testkörper verursachen.

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Claims (7)

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur zerstörungsfreien Messung der Dicke der Oberflächenschicht eines Körpers, der einer Behandlung zur Veränderung der Oberflächenstruktur unterworfen worden ist, gekennzeichnet durch

einen elek_troakustischen Sendewandler (11) und einen elektroakustischen Empfangswandler (12), welche Wandler auf einander entgegengesetzten Seiten des Körpers (10) einander gegenüberstehend angeordnet sind,

einen den Sendewandler (11) speisenden Oszillator (16) und

einen Phasendifferenzmesser (17), von dessen Eingängen der eine mit dem Sendewandler (11) und der andere mit dem Empfangswandler (12) verbunden ist, und der an seinem Ausgang ein von der Phasendifferenz der an seinen Eingängen anliegenden Signale abhängiges Signal liefert,

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende- und Empfangswandler (11, 12) in einem eine Flüssigkeit enthaltenden Gefäß (15) angeordnet sind, welches auch den zu prüfenden Körper (10) aufnimmt .

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3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung zum Halten und zum Einstellen der Position des Körpers (10) in Bezug auf die Wandler (11, 12) umfaßt.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (16) ein sinusförmiges Signal erzeugt.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (16) ein Signal mit einer im Bereich einiger Megahertz liegenden Frequenz erzeugt.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektroakustischen Wandler (11, 12) piezoelektrische Wandler sind.

7. Vorrichtung zur Messung der Dicke der Oberflächenschicht eines Körpers (10), der einer Behandlung zur Veränderung der Oberflächenstruktur unterworfen worden ist, wie anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben.

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