DE3926676C2

DE3926676C2 - Method for measuring the material properties of a body with regard to abrasion, wear resistance or hardness, and application of the method

Info

Publication number: DE3926676C2
Application number: DE3926676A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Phys Dr Schmirler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-08-17
Filing date: 1989-08-09
Publication date: 1995-10-19
Anticipated expiration: 2009-08-10
Also published as: DE3926676A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Materialbeschaffenheit eines Körpers hinsichtlich Abrieb, Verschleißfestigkeit oder Härte des Körpers sowie die An wendung des Verfahrens.The invention relates to a method for measuring the Material properties of a body with regard to abrasion, Wear resistance or hardness of the body as well as the type application of the procedure.

Im folgenden werden die Begriffe Probekörper und Refe renzkörper in der Weise verwendet, daß der Probekörper den zu untersuchenden Gegenstand kennzeichnet, während der Re ferenzkörper ein Gegenstand ist, der zur Prüfung des Pro bekörpers mit diesem in Kontakt gebracht wird und dessen Daten bekannt sind.The following are the terms test specimen and refe renzkörper used in such a way that the test specimen characterizes the object to be examined, while the re is an object that is used to test the pro body is brought into contact with it and its Data are known.

Nach dem Stand der Technik werden zum Beispiel zur Be urteilung von Härte oder Abriebfestigkeit von Oberflächen typischerweise die beiden folgenden, hier abstrakt formu lierten, Schritte durchgeführt:According to the prior art, for example, Be Judgment of hardness or abrasion resistance of surfaces typically the following two, here abstract formu steps taken:

1. Known with the help of a reference body Strength becomes the surface to be tested unknown hardness in a defined way burdens.
2. Then or during the process is ge with the help of more or less exact length measuring devices a Vermes solution of the geometric surface changes tion made as a result of the Bela has occurred.

Das Ausmessen von geometrischen Veränderungen, die in folge definierter Belastung bei vorgeschriebenen Geometrien aufgetreten sind, wird beispielsweise zur Bestimmung der Vickers-, Brinell- oder Rockwell-Härte angewendet.Measuring geometric changes that occur in follow defined load with prescribed geometries have occurred, for example, to determine the Vickers, Brinell or Rockwell hardness applied.

In vielen Fällen, beispielsweise im Fall der Härteprü fung bei Metallen, gibt es dabei kaum meßtechnische Schwie rigkeiten, sofern glatte Oberflächen vorliegen und defi nierte entsprechend harte Referenzkörper, wie zum Beispiel Diamantkristalle verwendet werden.In many cases, for example in the case of hardness testing metal, there is hardly any measurement difficulty if there are smooth surfaces and defi appropriately hard reference bodies, such as Diamond crystals can be used.

Im Fall sehr harter Substanzen mit unregelmäßig ge formten Oberflächen, zum Beispiel bei bestimmten Keramiken, treten jedoch Probleme auf. Sowohl das Anbringen einer de finierten oberflächlichen Verformung durch einen geeigneten Referenzkörper als auch die quantitative Erfassung einer eingetretenen Verformung bereiten Schwierigkeiten. Zur Be stimmung der Abriebfestigkeit werden zum Beispiel zeit- und materialaufwendige Schleifverfahren, zum Beispiel nach DIN 52 108, eingesetzt.In the case of very hard substances with irregular ge shaped surfaces, for example with certain ceramics, however, problems arise. Both attaching a de Finished surface deformation by a suitable Reference body as well as the quantitative acquisition of a Deformation that has occurred creates difficulties. To Be abrasion resistance, for example, are time and material-intensive grinding processes, for example according to DIN 52 108.

Gemäß der DE-OS 20 40 741 wird der Prüfling gegen die Oberfläche einer Reibscheibe gedrückt und der Abrieb der Scheibe aufgrund eines bestimmten Anpreßdruckes des Prüf linges an die Scheibe ermittelt. Anschließend wird der An preßdruck geändert und der Abrieb auf einer neuen (konzen trischen) Kreisbahn der Scheibe ermittelt und so fort. Aus den unterschiedlichen Eindringtiefen, beziehungsweise der Größe des Abriebes in den einzelnen Kreisbahnen, kann auf die Materialbeschaffenheit des Prüflinges geschlossen wer den. Der Prüfling ist hierzu ausweichbar gelagert, um bei auftretenden Unebenheiten keinen unkontrollierbaren Abrieb zu erzeugen und um selbst nicht verletzt zu werden. Dieses Verfahren ist nur bedingt geeignet, um beispielsweise Materialien mit unterschiedlichem Schichtaufbau zu prüfen, wie bei spielsweise ein Keramikmaterial mit lasierter Oberfläche. According to DE-OS 20 40 741, the test subject is against Pressed surface of a friction disc and the abrasion of the Washer due to a certain contact pressure of the test linges determined on the disc. Then the An pressure changed and the abrasion on a new (conc tric) circular path of the disc and so on. Out the different depths of penetration, respectively the The size of the abrasion in the individual circular orbits can vary the material quality of the test object is closed the. For this purpose, the test specimen is stored in an evasive manner to occurring bumps no uncontrollable abrasion to generate and not to get hurt yourself. This This method is only suitable to a limited extent, for example, for materials to be tested with different layer structures, as with for example a ceramic material with a glazed surface.

Gemäß der DE-OS 23 28 065 wird zur Prüfung der Ober flächenfestigkeit des zu prüfenden Körpers mit dem Refe renzkörper eine spiralförmige Ritzspur in der Oberfläche des Körpers erzeugt. Der Druck des Referenzkörpers wird bei der Erzeugung der spiralförmigen Ritzspur solange ver größert, bis die anfangs glatte Ritzspur in eine brüchig gewordene Spur umschlägt. Aus der Lage des Umschlagpunktes und des an dieser Stelle ausgeübten Druckes wird auf die Materialbeschaffenheit des Prüflinges geschlossen. Mit die sem Verfahren lassen sich keine genauen Aussagen über die Material beschaffenheit eines Körpers, beispielsweise eines lasier ten Keramikkörpers, treffen.According to DE-OS 23 28 065 is used to test the waiter surface strength of the body to be tested with the Refe border a spiral scratch mark in the surface of the body. The pressure of the reference body is at the generation of the spiral scratch track as long as enlarges until the initially smooth scratch mark becomes brittle turns into a track. From the location of the transfer point and the pressure exerted at this point is applied to the Material quality of the test object closed. With the This procedure does not allow precise statements about the material texture of a body, for example a glaze ceramic body.

Gemäß der JP 62-245 131 A wird ein Referenzkörper im freien Fall auf einer Kreisbahn über die Oberfläche des Prüflinges bewegt. Der Einfallswinkel des Referenzkörpers wird mit dem Ausfallswinkel nach dem Ritzvorgang vergli chen. Eine optische Meßeinrichtung mißt die Eindringtiefe des Referenzkörpers in den Probekörper. Aus diesen Meß größen wird auf die Materialbeschaffenheit des zu prüfenden Körpers geschlossen. Auch dieses Verfahren gibt keinen hinreichenden Auf schluß über die Materialbeschaffenheit eines mehrschichti gen Körpers.According to JP 62-245 131 A, a reference body is used in free fall on a circular path over the surface of the DUT moves. The angle of incidence of the reference body is compared with the angle of reflection after the scribing process chen. An optical measuring device measures the depth of penetration of the reference body in the test body. From this measurement sizes will depend on the material properties of the test item Body closed. This method also does not give up a sufficient task conclusion about the material properties of a multilayer towards the body.

Gemäß dem DE-GM 71 40 841 werden die Meßkurve eines Eindringkörpers sowie die Kurve eines Tasters beim hinter einanderfolgenden Überfahren einer Längsspur miteinander verglichen, um bei der Bestimmung der Ritzhärte Unregel mäßigkeiten der Oberfläche in der Spur zu erfassen und im Meßwert auszugleichen.According to DE-GM 71 40 841, the measurement curve is one Indenter and the curve of a button at the rear successive crossing of a longitudinal lane with each other compared to irregular in determining the scratch hardness to measure surface surface irregularities and in Compensate the measured value.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem Körper mit unregelmäßiger und/oder unterschiedlich harter Oberfläche, insbesondere Keramiken, hinsichtlich ih rer Beschaffenheit schnell und aussagekräftig geprüft wer den können.The object of the invention is to provide a method with the body with irregular and / or different hard surface, especially ceramics, with regard to who are quickly and meaningfully checked that can.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren des Anspruches 1 oder 3 gelöst.This object is achieved by the method of the claim 1 or 3 solved.

Die Auswertung der Meßgrößen, unter Umständen eine komplexe Auswertung, führt zu einer vielfältigen Beurtei lung der Stabilität des Körpers und der Oberflächengeome trie des Probekörpers. Das erfindungsgemäße Verfahren gibt also sehr genaue Aufschlüsse über die Beschaffenheit des zu prüfenden Körpers.The evaluation of the measured variables, possibly a complex evaluation, leads to a diverse assessment the stability of the body and the surface geome test specimen. The method according to the invention gives So very precise information about the nature of the testing body.

Falls erforderlich, können Kräfte in verschiedenen Richtungen, zum Beispiel parallel oder senkrecht zur Oberfläche, und als Funktion der Zeit gemessen werden. Dadurch entstehen mehrdimensio nale Kraftverlaufskurven. Zusätzlich kann die Eindringtiefe des Referenzkörpers in den Probekörper während der Kraft verläufe quasi simultan gemessen und als weitere Kenngröße bei der Beurteilung der Härte oder des Verschleißes des Probekörpers dienen.If necessary, forces can be in different directions, for example parallel or perpendicular to the surface, and as a function of time can be measured. This creates multiple dimensions nale force curves. In addition, the depth of penetration of the reference body into the specimen during the force curves measured virtually simultaneously and as a further parameter when assessing the hardness or wear of the Serve specimen.

Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Er findung dargestellt. In the drawing is an embodiment of the He shown.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 ein Gerät zur Durchführung des Verfahrens; Figure 1 shows an apparatus for performing the method.

Fig. 2 ermittelte Meßkurven (Eindringkurven), aus denen die Eigenschaften des Materi als ermittelbar sind. Fig. 2 determined measurement curves (penetration curves), from which the properties of the material can be determined.

Fig. 1 zeigt einen Probekörper (1) und einen Referenz körper (2). Der Probekörper (1) ist kugelförmig ausgebildet und besteht aus Keramikmaterial. Am Ende eines zylindri schen Stiftes (10) ist der Probekörper (1) fixiert. Der Stift selbst ist in einem Halter (5) eingespannt, der in einer Ebene parallel zur Zeichenebene mit Hilfe eines Mo tors um die Achse (6) drehbar fest angeordnet ist. Bei Dre hung des Motors beschreibt der Probekörper (1) eine Kreisbahn (4). Die Kreisbahnlänge kann durch die darge stellten Mittel hinsichtlich ihrer Winkelposition sehr prä zise gemessen werden. Fig. 1 shows a test specimen ( 1 ) and a reference body ( 2 ). The test specimen ( 1 ) is spherical and consists of ceramic material. At the end of a cylindrical pin ( 10 ) the test specimen ( 1 ) is fixed. The pin itself is clamped in a holder ( 5 ) which is arranged in a plane parallel to the plane of the drawing with the help of a motor for rotation about the axis ( 6 ). When the engine rotates, the test specimen ( 1 ) describes a circular path ( 4 ). The circular path length can be measured very precisely in terms of its angular position using the means presented.

In der Darstellung der Fig. 1 ist der Referenzkörper (2) mit Diamantstaub (2a) besetzt und deshalb von sehr ho her Abriebfestigkeit. Die Platte (2) als Referenzkörper ist mit einer Wägezelle (3) mechanisch so verbunden, daß die am Referenzkörper parallel zur schleifend überfahrenen Ober fläche in Richtung zur Wägezelle (3) wirkende Kraft gemes sen wird. Mit anderen Worten, der Referenzkörper (2) ist in Richtung der Wägezelle (3) zum Beispiel gegen Federkraft meßbar verschiebbar.In the representation of Fig. 1, the reference body ( 2 ) with diamond dust ( 2 a) and therefore very high abrasion resistance. The plate ( 2 ) as a reference body is mechanically connected to a load cell ( 3 ) in such a way that the force acting on the reference body parallel to the grinding surface which is run over in the direction of the load cell ( 3 ) is measured. In other words, the reference body ( 2 ) can be displaced in the direction of the load cell ( 3 ), for example against spring force.

Untersucht man zum Beispiel eine Schleifkeramik als Probekörper, so können die auftretenden Sprünge der Kurven bei den einzelnen Ritz- oder Schleifvorgängen zur Bestimmung der Festigkeit, der Bindung der einzel nen Schleifkörner und dergleichen verwendet werden, wie zum Beispiel in den Kraft-Winkel-Kurven (7, 8, 9) der Fig. 2 dargestellt, wo die dx zwischen den Kurven zur Bestimmung der Festigkeit der Bindung der einzelnen Schleifkörner die nen.If, for example, a grinding ceramic is examined as a test specimen, the jumps in the curves that occur during the individual scribing or grinding processes can be used to determine the strength, the binding of the individual grinding grains and the like, for example in the force-angle curves ( 7 , 8 , 9 ) of Fig. 2, where the dx between the curves to determine the strength of the bond of the individual abrasive grains.

Um zusätzliche Informationen über den Abrieb und die Verschleißfestigkeit eines Probekörpers zu gewinnen, ist eine Messung der Eindringtiefe des Referenzkörpers in den Probekörper während einer wiederholten Belastung vorgese hen. Dazu wird der gesamte Kraftaufnehmer (3), inklusive Probekörper, in radialer Richtung relativ zur Drehbewegung des Halters (5) mit einer definierten Kraft-Weg-Relation in Position gehalten. Beispielsweise kann der Kraftaufnehmer (3) federnd gelagert sein (lineares Kraft-Weg-Verhältnis) oder auch mit Hilfe einer aufwendigen Steuerung, das heißt mit Hilfe einer zusätzlichen Mechanik und einer Elektronik, mit einem beliebig definierten Kraft-Weg-Verhältnis an sei ner Position gehalten werden.In order to obtain additional information about the abrasion and wear resistance of a test specimen, a measurement of the depth of penetration of the reference specimen into the test specimen is provided during a repeated load. For this purpose, the entire force transducer ( 3 ), including the test specimen, is held in position in the radial direction relative to the rotary movement of the holder ( 5 ) with a defined force-travel relation. For example, the force transducer ( 3 ) can be spring-loaded (linear force-displacement ratio) or also with the help of a complex control, that is to say with the aid of additional mechanics and electronics, with an arbitrarily defined force-displacement ratio at its position being held.

Infolge dieser beispielsweise elastischen Kraft ist nun der Kraftaufnehmer (3) in der Lage, bei Belastung in definierter Weise auszuwei chen. Die Bewegung in dieser Richtung kann mit Hilfe eines elektronischen Meßschiebers durch einen Rechner überwacht und aufgezeichnet werden. Damit kann die Eindringtiefe des Referenzkörpers in den Probekörper zu jedem Zeitpunkt der Belastung gemessen und für die Beurteilung der (Ver schleiß-)Festigkeit herangezogen werden.As a result of this elastic force, for example, the force transducer ( 3 ) is now able to deflect in a defined manner under load. The movement in this direction can be monitored and recorded by a computer using an electronic caliper. This means that the depth of penetration of the reference body into the test body can be measured at any time during loading and used to assess the (wear) strength.

Beispiel eines Meßvorganges für den Fall einer elasti schen Kraft mit hohem Gradienten:
Zu Beginn einer Messung wird der Probekörper (1) auf den Referenzkörper (2, 2a) zubewegt. Vor und nach dem Kon takt zwischen beiden wird eine Kraftverlaufskurve gemessen, die in Fig. 2 mit (7) beziffert ist. Durch Wechselwirkung zwischen den Oberflächen während des Kontaktes sind Verän derungen desselben möglich, und zwar in Abhängigkeit vom Weg des Probekörpers (1).Example of a measuring process in the case of an elastic force with a high gradient:
At the start of a measurement, the test specimen ( 1 ) is moved towards the reference specimen ( 2 , 2 a). Before and after the contact between the two a force curve is measured, which is numbered in Fig. 2 with ( 7 ). By interaction between the surfaces during contact changes of the same are possible, depending on the path of the test specimen ( 1 ).

In einer geeignet gewählten Position (abhängig vom ge rade erreichten Kraft- oder Positionswert) wird die Dreh richtung des Antriebsmotors (nicht dargestellt) für den Probekörper (1) umgeschaltet, bis der mechanische Kontakt und damit die Kraftwirkung mit dem Referenzkörper (2, 2a) unterbrochen wird. Die erneute Annäherung von Referenz- und Probekörper zeigt einen Kraftverlauf (8) (Fig. 2), dessen Form durch die vorher erfolgte Wechselwirkung der Oberflä chen verändert sein kann. Durch wiederholte Anwendung die ses Vorganges können mehrere solcher Kurven neu erhalten werden. Aus den Veränderungen, die sich im Verlauf der Kraft als Funktion des Ortes X (Wegverschiebung oder Winkel des Probekörpers (1)) zeigen, kann auf Veränderungen an der Oberfläche des Probekörpers (1) geschlossen werden.In a suitably selected position (depending on the force or position value just reached), the direction of rotation of the drive motor (not shown) for the test specimen ( 1 ) is switched over until the mechanical contact and thus the force effect with the reference body ( 2 , 2 a ) is interrupted. The renewed approximation of the reference and test specimens shows a force curve ( 8 ) ( FIG. 2), the shape of which can be changed by the interaction of the surfaces that took place previously. By repeated application of this process, several such curves can be obtained again. From the changes that show up in the course of the force as a function of the location X (displacement or angle of the test specimen ( 1 )), it can be concluded that there are changes on the surface of the test specimen ( 1 ).

Beispielsweise deutet die meßbare Verschiebung dx (Fig. 2) zwischen der Kurve (7) und der Kurve (8) an, daß die der Kurve (8) vorausgegangene Krafteinwirkung zu einer entsprechenden Abnutzung im Kontaktbereich der Oberflächen der beiden Körper geführt hat.For example, the measurable displacement dx ( Fig. 2) between curve ( 7 ) and curve ( 8 ) indicates that the force action preceding curve ( 8 ) has led to corresponding wear in the contact area of the surfaces of the two bodies.

Beispiele für Anwendungen und Modifikationen des Ver fahrens:
Das Verfahren ist geeignet, beispielsweise die Festig keit einer Probe gegenüber reibender, kratzender Belastung zu beurteilen.Examples of applications and modifications to the process:
The method is suitable, for example, to assess the strength of a sample against rubbing, scratching loads.

Zur Messung eignen sich besonders computergesteuerte Prüfgeräte, die mit speziellen Auswerteprogrammen ausge stattet werden, die eine ON-LINE-Analyse des Kraftverlaufes mit anschließender Anzeige bestimmter Kennwerte erlauben.Computer-controlled are particularly suitable for the measurement Test equipment, which with special evaluation programs an ON-LINE analysis of the force curve allow with subsequent display of certain characteristic values.

Probe- (1) und Referenzkörper (2) der Fig. 1 können beliebig gegeneinander vertauscht werden und auch beliebige andere geometrische Formen besitzen. Beispielsweise kann der Referenzkörper (2) Stiftform mit Diamantspitze aufwei sen. Dementsprechend wird dann die Probe an der Wägezelle (3) befestigt. Das Verfahren stellt dann eine neuartige Ritz-Härte-Prüfmethode dar, die in relativ einfacher Weise automatisiert und standardisiert werden kann.Sample ( 1 ) and reference body ( 2 ) of FIG. 1 can be interchanged as desired and also have any other geometric shapes. For example, the reference body ( 2 ) pin shape with diamond tip. The sample is then attached to the load cell ( 3 ) accordingly. The method then represents a new type of Ritz hardness test method that can be automated and standardized in a relatively simple manner.

Die Relativbewegung von Probe- (1) und Referenzkörper (2) kann, abhängig von der Prüfgeometrie, sowohl einen schleifenden Kontakt bewirken, als auch, ähnlich wie bei herkömmlichen Härteprüfverfahren, senkrecht zur Probenober fläche verlaufen. Dabei kann die Bahnkurve, auf welcher sich die beiden Körper aufeinanderzubewegen und sich im Kontakt befinden, sowohl zirkulare Form besitzen, wie in dem oben zur Verdeutlichung gewählten Beispiel (Fig. 1), als auch linear verlaufen. Darüber hinaus können auch beliebige Winkel für das erste In-Kontakt-Treten der Körper gewählt werden.The relative movement of the specimen ( 1 ) and reference body ( 2 ) can, depending on the test geometry, cause both sliding contact and, similar to conventional hardness testing methods, run perpendicular to the specimen surface. The path curve on which the two bodies move towards one another and are in contact can have both a circular shape, as in the example chosen above for the illustration ( FIG. 1), as well as linear. In addition, any angle can be selected for the first contact of the body.

Material und Form des Referenzkörpers (2, 2a) sind nach Bedarf zu wählen, das heißt, es kommen sowohl sehr harte Materialien, zum Beispiel Diamant, als auch solche mit relativ zum Probekörper definiert gewählter Härte und Struktur (Porosität etc.) und definiertem Verschleißverhal ten in Frage. Auf diese Weise können nahezu beliebig ge formte Oberflächen eines weiten Spektrums von Probemateria lien und -formen mit Hilfe des hier erläuterten Verfahrens geprüft werden.The material and shape of the reference body ( 2 , 2 a) are to be selected as required, which means that both very hard materials, e.g. diamond, as well as those with a defined hardness and structure (porosity etc.) relative to the specimen are used Wear behavior in question. In this way, almost arbitrarily shaped surfaces of a wide range of sample materials and shapes can be tested using the method explained here.

Claims

1. Procedure for testing the material properties of a body in terms of abrasion, wear resistance or hardness where a reference body is on a circular path or a linear path repeated with one to be tested Body in grinding or scratching and / or penetrating the contact is brought under force at which the acting force as a function of the position of the reference body is measured with every contact and from which Changes in the measured course of the force on the mate rial quality and / or the surface quality is closed.

2. The method according to claim 1, characterized in that that the body to be tested has a defined force-displacement Relation is kept evasive, and that the penetration depth of the reference body into the body to be tested measured under the load of the acting force and in addition to assessing the material properties is used.

3. Procedure for testing the material properties of a body in terms of abrasion, wear resistance or hardness where the body to be tested is on a Circular path or a linear path repeated with a Reference body in grinding or scratching and / or penetrating contact is brought under force, where the force acting as a function of the position of the body is measured with every contact and at that from the changes in the measured course of the force on the material properties and / or the surfaces texture is closed.

4. The method according to claim 1 or 3, characterized records that the parallel and / or perpendicular to the surface surface of the body to be tested or the reference body force component is measured.

5. The method according to claim 1 or 3, characterized records that a diamond tip is used as a reference body.

6. Application of the method according to claim 1 or 3 for Determination of hardness and / or abrasion resistance of hard Bodies with an irregularly shaped surface.

7. Application of the method according to claim 1 or 3 for Determination of hardness and abrasion resistance of ceramic existing bodies.