DE3710741A1 - Method and device for the computer-controlled determination of the hardness of, in particular, metallic materials - Google Patents

Method and device for the computer-controlled determination of the hardness of, in particular, metallic materials

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Abstract

Hitherto, the hardness of metallic materials has been carried out by the Brinell, Vickers or Rockwell method. A common feature of these methods is that a test body is pressed under a certain load into the material under test. A certain force is therefore applied and an indentation which has to be measured using an enlarging device is made in the specimen. Depending on the expected hardness of the workpiece under test, however, test bodies of different design are necessary in the various methods at different load stages. The testing cost is consequently very high. This cost is eliminated, according to the invention, as a result of the fact that a test tip 1, in particular made of diamond, is now pressed into the workpiece under test with the aid of a computer-controlled stepping motor 2. The test process is terminated with the aid of an inductive displacement transducer 4 after a specified penetration depth has been reached. The force needed for this impression process is used with the aid of strain gauges 7 as a measure of the hardness of the specimen 3. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einerseits ein Verfahren zur im wesent­ lichen zerstörungsfreien Ermittlung der Härte eines Roh- oder Fertigteils.On the one hand, the invention relates to a method for essentially non-destructive determination of the hardness of a raw or Precast.

Zum Stand der Technik zählt die Härteprüfung nach Brinell. Hier­ bei wird eine gehärtete Stahlkugel mit bestimmter Belastung in das zu untersuchende Material gedrückt. Aus der Belastung der Kugel und der Oberfläche der in den Werkstoff gedrückten, mittels einer Vergrößerungseinrichtung gemessenen Kalotte wird dann die Brinellhärte berechnet. Der gerätetechnische Aufwand bei der Härteprüfung nach Brinell ist somit relativ aufwendig, zumal je nach der zu erwartenden Härte des zu untersuchenden Werk­ stoffs vier verschiedene Kugeldurchmesser und mehrere Last­ stufen verwendet werden, so daß insgesamt 20 Variationsmög­ lichkeiten bestehen.Brinell hardness testing is part of the state of the art. Here at is a hardened steel ball with a certain load in pressed the material to be examined. From the burden of Sphere and the surface of the pressed into the material, by means of a calotte measured by an enlarger is then the Brinell hardness calculated. The technical effort for the Brinell hardness testing is therefore relatively complex, especially depending on the expected hardness of the work to be examined four different ball diameters and several loads stages are used, so that a total of 20 possible variations opportunities exist.

Bei der Härteprüfung nach Rockwell wird als Eindringkörper bei harten Werkstoffen ein Diamantkegel mit einem Spitzen­ winkel von 120° und bei mittelharten sowie weichen Werk­ stoffen eine gehärtete Stahlkugel von 1/16″ Durchmesser be­ nutzt. Dabei wird der Eindringkörper zunächst mit einer Vor­ last von 10 Kp in die Oberfläche des Prüfstücks eingedrückt. Die dabei erreichte Eindringtiefe stellt den Ausgangswert für die Tiefmessung dar. Anschließend wird die Belastung um 140 Kp auf insgesamt 150 Kp bei Verwendung eines Diamantkegels bzw. um 90 Kp auf insgesamt 100 Kp bei Verwendung einer Stahlkugel gesteigert und dann wieder auf den Wert der Vorlast gesenkt. Die bleibende Eindringtiefe wird gemessen und die entsprechende Härte an der Skala des Prüfgeräts unmittelbar abgelesen.When the Rockwell hardness test, a diamond indenter is used as a cone with hard materials with an acute angle of 120 ° and with medium-hard and soft materials, a hardened steel ball of 1/16 "diameter be used. The indenter is first pressed into the surface of the test piece with a load of 10 Kp. The penetration depth achieved thereby represents the initial value for the deep measurement. Then the load is increased by 140 Kp to a total of 150 Kp when using a diamond cone or by 90 Kp to a total of 100 Kp when using a steel ball and then reduced again to the value of the preload . The remaining depth of penetration is measured and the corresponding hardness is immediately read on the scale of the test device.

Schließlich zählt zu den sogenannten Eindringverfahren noch die Härteprüfung nach Vickers. In diesem Fall wird eine Diamant­ pyramide von 136° Flächenwinkel mit einer beliebigen Last, z. B. 50 Kp oder 100 Kp bei sehr harten Stählen in die Werkstoffober­ fläche eingedrückt. Die Eindrückoberfläche wird aus ihren gemes­ senen Diagonalen bestimmt. Die Härte errechnet sich dann wie bei Härteprüfung nach Brinell durch Division der Belastung durch die Eindrückfläche. Die Vickers-Härte ist unabhängig von der Belastung, die Regelbelastungen betragen 10, 30 und 60 Kp.Finally, the so-called penetration process also includes Vickers hardness test. In this case, a diamond  pyramid of 136 ° surface angle with any load, e.g. B. 50 Kp or 100 Kp in the case of very hard steels in the upper material pressed in. The impression surface is measured from their its diagonals. The hardness is then calculated as for Brinell hardness test by dividing the load by the Impression area. The Vickers hardness is independent of the load, the standard loads are 10, 30 and 60 Kp.

Nachteilig an den bekannten Verfahren ist mithin der vergleichs­ weise hohe prüftechnische Aufwand im Hinblick auf die Vielfalt der Eindringkörper sowie die verschiedenen Belastungen in Abhängig­ keit von der zu erwartenden Härte des jeweils zu untersuchenden Werkstoffs. Dabei ist sämtlichen bekannten Eindringverfahren ge­ meinsam, daß ein Eindringkörper unter einer bestimmten Last in das Material eingedrückt, die Größe des von dem Eindringkörper im Werkstück hinterlassenen Eindrucks gemessen und aus diesen beiden Werten der Härtegrad ermittelt wird.A disadvantage of the known methods is therefore the comparative wise high test engineering effort in terms of diversity the indenter as well as the various loads depending of the expected hardness of the item to be examined Material. All known penetration methods are ge common that an indenter under a certain load in the material indented, the size of that of the indenter measured in the workpiece and from these Both values determine the degree of hardness.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Vor­ richtung zu schaffen, gemäß welcher es möglich ist, die Härte sämtlicher Werkstoffe mit einem einzigen Eindringkörper nach ein- und derselben Prüfmethode zu untersuchen.The invention is based on the object, a front direction in which it is possible to create the hardness all materials with a single indenter after and to examine the same test method.

Charakteristisch an dem erfindungsgemäßen Verfahren ist, daß jetzt eine bestimmte Prüftiefe vorgegeben wird, die der Prüfkörper in das zu untersuchende Material eindringen muß. Die für den Eindrückvor­ gang benötigte Kraft wird dann als Maß für die Härte des Werkstücks herangezogen. Neben dem grundlegenden Vorteil, daß mit einem einzigen Prüfkörper alle Werkstoffe mit ein- und derselben Meßmethode geprüft werden können, wird der weitere Vorteil erzielt, daß bei sämtlichen zu untersuchenden Werkstoffen, seien sie nur hart oder weich, ein einwandfreies Meßergebnis erzielt wird.A characteristic of the method according to the invention is that now a certain test depth is specified, which the test specimen in the material to be examined must penetrate. The one for the impressions The force required is then used as a measure of the hardness of the workpiece used. In addition to the basic advantage that with a single Test specimens all materials tested using one and the same measuring method can be achieved, the further advantage is achieved that in all materials to be examined, be they only hard or soft perfect measurement result is achieved.

In Anbetracht der Tatsache, daß die Kraft, mit welcher der Prüf­ körper bei konstanter Geschwindigkeit über die vorgeschriebene Tiefe in den Prüfling eindringen muß, auf jeden Fall einen von Null abweichenden Wert aufweist, können sowohl extrem weiche als auch extrem harte Werkstoffe ohne Austausch des Eindringkörpers und ohne Änderung der Prüfmethode auf ihre Härte hin untersucht werden.In view of the fact that the force with which the test body at constant speed above the prescribed Depth must penetrate the test object, in any case one of Zero deviating value can be extremely soft as well even extremely hard materials without exchanging the indenter  and tested for hardness without changing the test method will.

Der Einsatz eines induktiven Wegaufnehmers gemäß Anspruch 1 ist mit dem Vorteil verbunden, daß eine vorbestimmte Eindringtiefe von beispielsweise 0,1 mm automatisch und exakt gemeldet wird, so daß der Eindrückvorgang mit Sicherheit nach Erreichen der vorge­ schriebenen Tiefe abgebrochen wird.The use of an inductive displacement sensor according to claim 1 associated with the advantage that a predetermined depth of penetration of, for example, 0.1 mm is reported automatically and exactly, so that the indentation process with certainty after reaching the pre written depth is canceled.

Statt eines induktiven Wegaufnehmers kann nach den Merkmalen des Anspruchs 2 die Eindringtiefe des Prüfkörpers auch mittels Laser­ strahlen überwacht werden.Instead of an inductive displacement sensor, the features of Claim 2 the penetration depth of the test specimen also by means of a laser rays are monitored.

Die Verwendung eines Stellmotors zum Eindrücken der Prüfspitze in das zu untersuchende Material gewährleistet in Verbindung mit einem bevorzugt aus einem induktiven Wegaufnehmer bestehenden Wegmesser eine genaue Festlegung einer Eindringtiefe sowie eine stets mit derselben Exaktheit wiederholbare Prüfung bei sämtlichen Materia­ lien.The use of an actuator to push the probe in the material to be examined guarantees in connection with a preferably consisting of an inductive displacement sensor a precise definition of a penetration depth and always with same exactness repeatable test on all materia lien.

Die Prüfspitze kann verschiedenartig gestaltet sein. Bevorzugt ge­ langt jedoch gemäß Anspruch eine Prüfspitze aus einem Diamantkegel mit einem Spitzenwinkel von 120° zur Anwendung.The test probe can be designed in different ways. Preferred ge However, according to the claim, a probe tip is obtained from a diamond cone with a tip angle of 120 °.

Die vom induktiven Wegaufnehmer dem Rechner gemeldete Eindring­ tiefe steuert über die Schrittmotorsteuerung den Schrittmotor, wo­ mit wiederum die erforderliche Eindringtiefe der Prüfspitze in den Prüfling geregelt wird.The penetration reported to the computer by the inductive displacement sensor depth controls the stepper motor via the stepper motor, where with the required depth of penetration of the test probe into the DUT is regulated.

Ist diese Eindringtiefe von z. B. 0,1 mm erreicht, wird dieser Meß­ wert vom induktiven Wegaufnehmer dem Rechner mitgeteilt, worauf dieser den Schrittmotor abstellt.Is this depth of penetration of z. B. 0.1 mm, this measurement value communicated to the computer by the inductive displacement transducer, whereupon this turns off the stepper motor.

Mit Hilfe der Dehnungsmeßstreifen oder eines anderen dafür ge­ eigneten Kraftmeßverfahrens kann jederzeit die aufgewendete Kraft bestimmt bzw. nach Erreichen der gewünschten Eindringstufe von z. B. 0,1 mm die Maximalkraft am Bildschirm des Rechners sichtbar gemacht werden bzw. von einem Drucker ausgedruckt werden.With the help of the strain gauges or another ge The force applied can be used at any time determined or after reaching the desired penetration level of z. B. 0.1 mm made the maximum force visible on the computer screen be printed out by a printer.

Alternativ kann diese Maximalkraft von einem digitalen Anzeigege­ rät abgelesen werden. Ein in den Rechner eingegebenes Programm ermöglicht eine Materialauswahl in bezug auf die Härte, so daß z. B. ein bestimmter Härtebereich für Prüflinge toleriert wird, während weichere oder härtere Werkstücke ausgesondert werden.Alternatively, this maximum force can be obtained from a digital display  advises to be read. A program entered into the computer allows a choice of materials in terms of hardness, so that e.g. B. a certain hardness range is tolerated for test objects, while softer or harder workpieces are discarded.

Der Prüfvorgang läuft wie folgt ab:The test procedure is as follows:

Zunächst wird der Schrittmotor (1), die Stromzuführung des in­ duktiven Wegaufnehmers sowie der Rechner eingeschaltet. Durch Hochfahren der Spindel (2) wird der Prüfling (3) gegen die Prüf­ spitze (4) gefahren. Im Augenblick der Berührung von Prüfling mit der Prüfspitze meldet der induktive Wegaufnehmer (5) dem Rechner den Beginn des Prüfvorgangs. Mit Hilfe des Schritt­ motors wird nun die zum Erreichen von 0,1 mm Eindringtiefe in den Prüfling erforderliche Kraft aufgebracht. Ist dies gesche­ hen, wird diese Kraft mit Hilfe der Dehnmeßstreifen (6) ermit­ telt. Diese Kraft wird als Härtewert direkt angegeben. Nach Zurückfahren des Prüfkörpers mit der Prüfspitze mit Hilfe des Schrittmotors kann die nächste Prüfung vorgenommen werden.First the stepper motor ( 1 ), the power supply of the inductive displacement sensor and the computer are switched on. The test object ( 3 ) is moved against the test probe ( 4 ) by raising the spindle ( 2 ). As soon as the test object touches the test probe, the inductive displacement sensor ( 5 ) notifies the computer of the start of the test process. With the help of the stepper motor, the force required to reach a depth of 0.1 mm into the test object is now applied. If this is done, this force is determined using the strain gauges ( 6 ). This force is given directly as hardness value. After the test specimen has been moved back with the test probe using the stepper motor, the next test can be carried out.

Die Anwendung dieses Härteprüfgeräts ist universell überall dort möglich, wo metallische Werkstoffe hergestellt oder ver­ arbeitet werden, wie z. B. Stahlwerke, Maschinenfabriken, Auto­ hersteller. Insbesondere ist eine 100%ige Qualitätsüberwachung dadurch möglich, daß keine Härtewerte aus Eindrücken von Prüf­ körpern ausgemessen werden müssen, wie dies bei der Härtemes­ sung nach Brinell und Vickers erforderlich ist. Auch können verschieden harte Werkstoffe ohne Umrüsten des Prüfgeräts auf ihre Härte untersucht werden, was z. B. mit dem Rockwellver­ fahren nicht möglich ist. Insbesondere der schnelle Ablauf der Prüfung läßt das Gerät zur 100%igen Qualitätsüberwachung von metallischen Werkstücken geeignet erscheinen.The application of this hardness tester is universal everywhere possible where metallic materials are manufactured or ver are working, such as B. steel mills, machine factories, auto Manufacturer. In particular is a 100% quality control possible because no hardness values from impressions of test body must be measured, as is the case with hardness Brinell and Vickers solution is required. Can too different hard materials without retooling the test device their hardness are examined, which z. B. with the Rockwellver driving is not possible. In particular, the rapid flow of Testing has the device for 100% quality control by metallic workpieces appear suitable.

Claims (10)

1. Verfahren zur im wesentlichen zerstörungsfreien Ermittlung der Härte eines Roh- oder Fertigteils, bei welchem ein vom Werk­ stoff her härter als das zu untersuchende Material des Prüflings beschaffener, sich endseitig verjüngender Prüfkörper in das Material des Prüflings eingedrückt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfkörper (1) um ein vorbestimmtes stets gleich großes Maß in das Material des Prüflings (3) eingedrückt und die zum Eindrücken benötigte Kraft direkt als Wert für die Härte des Prüflings (3) herangezogen wird.1. A method for the essentially non-destructive determination of the hardness of a raw or finished part, in which a test piece which is harder than the material to be examined and is tapered at the end is pressed into the material of the test object, characterized in that Test specimen ( 1 ) is pressed into the material of the test specimen ( 3 ) by a predetermined amount, and the force required for indentation is used directly as a value for the hardness of the test specimen ( 3 ). 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüf­ körper (1) mit einer an sich bekannten pyramiden- oder kegel­ förmigen Prüfspitze (1) aus Diamant in den zu untersuchenden Prüfling (3) gedrückt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the test body ( 1 ) with a known pyramid or cone-shaped test tip ( 1 ) made of diamond is pressed into the test specimen to be examined ( 3 ). 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eindringtiefe des Prüfkörpers (1) durch einen induktiven Weg­ aufnehmer (4) bestimmt wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the penetration depth of the test body ( 1 ) is determined by an inductive displacement sensor ( 4 ). 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eindringtiefe des Prüfkörpers (1) mittels Laserstrahlen bestimmt wird.4. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the penetration depth of the test specimen ( 1 ) is determined by means of laser beams. 5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eindringtiefe des Prüfkörpers (1) durch elektronisch gesteuerte Sensoren oder andere wie z. B. elektrostatische Meßverfahren be­ stimmt wird.5. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the penetration depth of the test body ( 1 ) by electronically controlled sensors or others such as. B. electrostatic measuring method is true. 6. Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfspitze (1) von einem Motor (2) gesteuert in den Prüfkörper eingedrückt wird, wobei der induktive Wegaufnehmer (4) kraft­ schlüssig mit dem Prüfkörper (1) gekoppelt ist.6. Devices for carrying out the method according to claim 1 or one of the following claims, characterized in that the test probe ( 1 ) is pressed into the test body in a controlled manner by a motor ( 2 ), the inductive displacement sensor ( 4 ) being non-positively connected to the test body ( 1 ) is coupled. 7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfspitze des Prüfkörpers (1) aus einem Diamantkegel mit einem spitzen Winkel von 120° besteht. 7. The device according to claim 5, characterized in that the test tip of the test body ( 1 ) consists of a diamond cone with an acute angle of 120 °. 8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerte des induktiven Wegaufnehmers (4) dem Rechner (5) zugeführt werden, der durch stetigen Soll-Ist-Vergleich die Eindringtiefe des Prüfkörpers (1) über den Schrittmotor (2) steuert.8. The device according to claim 5, characterized in that the measured values of the inductive displacement sensor ( 4 ) are fed to the computer ( 5 ) which controls the penetration depth of the test specimen ( 1 ) via the stepper motor ( 2 ) by means of a constant target / actual comparison. 9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß nach Erreichen der vorbestimmten Eindringtiefe des Prüfkörpers (1) der Schrittmotor (2) mit Hilfe des Rechners (5) durch die Schrittmotorsteuerung (6) automatisch abgeschaltet wird.9. The device according to claim 7, characterized in that after reaching the predetermined depth of penetration of the test body ( 1 ) the stepper motor ( 2 ) with the help of the computer ( 5 ) by the stepper motor control ( 6 ) is automatically switched off. 10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mechanisch mit dem Kraftübertragungshebel (8) zwischen Motor und Prüfkörper gekoppelte Dehnungsmeßstreifen (7) die aufge­ wendete Prüfkraft stetig messen und nach Erreichen der vorge­ gebenen Eindringtiefe des Prüfkörpers (1) in den Prüfling (3) die dazu erforderliche Prüfkraft über den Bildschirm oder den Drucker des Rechners (5) anzeigen.10. The device according to claim 8, characterized in that mechanically coupled to the force transmission lever ( 8 ) between the motor and test specimens strain gauges ( 7 ) continuously measure the test force applied and after reaching the predetermined depth of penetration of the test specimen ( 1 ) in the test specimen ( 3rd ) display the test force required for this on the screen or the printer of the computer ( 5 ).
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