DE4208947C2 - Verfahren zum Feststellen von Fehlern in Keramikkörpern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Feststellen von Feh­ lern einschließlich schlechter Laminierung oder feiner Hohlräu­ me wie z. B. Rissen oder Sprüngen, die in Keramikkörpern, die Laminate (Schichtstoffe) aus ebenen bzw. planaren keramischen Platten oder Bauteilen und durch Pressen von Pulvern herge­ stellte keramische Baukörper umfassen, vorhanden sind, wobei der Keramikkörper ein Sauerstoffsensor ist.

Als Verfahren zum Feststellen von Fehlern in Keramikkörpern sind bisher die folgenden Verfahren bekannt gewesen: Es wird beispielsweise eine Flüssigkeit mit Eindringungsvermögen, die ein Farbmittel enthält, in feine Hohlräume, die in einem Kera­ mikkörper vorhanden sind, eindringen gelassen, und danach wird überschüssige Flüssigkeit, die an der Oberfläche des Keramik­ körpers anhaftet, abgewaschen. Als Folge bleibt an einem feh­ lerfreien Teil des Keramikkörpers kein Farbmittel haften, wäh­ rend das Farbmittel an einem etwaigen fehlerbehafteten Teil zu­ rückbleibt. Folglich kann solch ein Fehler festgestellt werden, indem Vorhandensein oder Abwesenheit des Farbmittels mit bloßem Auge bestätigt wird. Ferner kann anstelle des Farbmittels eine Fluoreszenzfarbe verwendet werden, wobei in diesem Fall die Fluoreszenzfarbe in einen Keramikkörper eindringen gelassen und überschüssige Farbe mit Wasser abgewaschen wird. Dann wird der Keramikkörper in einer Dunkelkammer mit Ultraviolettstrahlen bestrahlt, so daß etwaige Fehler in dem Keramikkörper durch Ausnutzung der Emission von Licht aus der in den Fehler einge­ drungenen Fluoreszenzfarbe festgestellt werden können. Bei bei­ den Verfahren, die vorstehend erwähnt worden sind, ist Vorhan­ densein oder Abwesenheit eines Fehlers mit dem menschlichen Au­ ge beurteilt worden.

Da die vorstehend erwähnten Verfahren zum Feststellen von Feh­ lern auf der Beurteilung mit dem menschlichen Auge basieren, hängt die Fähigkeit zum Feststellen von Fehlern jedoch von der Geschicklichkeit oder Erfahrung der Gütekontrolleure ab oder kann ein kleiner Fehler übersehen werden. Da die Gütekontrolle auf das menschliche Auge angewiesen ist, wird ferner die Au­ tomatisierung aufeinanderfolgender Schritte behindert, was zu Fertigungsverfahren mit niedriger Produktivität führt.

In der DE-PS 7 39 188 wird ein Verfahren zum Ermitteln von Fehlern, wie Rissen, in keramischen Isolatoren, die als Hohlkörper ausgebildet sind, beschrieben, gemäß dem der Isolator in ein Wasserbad getaucht wird, der Isolator äußerlich getrocknet wird, und der elektrische Widerstand gemessen wird.

Die JP 2-126 147 betrifft ein Verfahren zur Feststellung der Rißtiefe von mit Eisen verstärktem Zement. Gemäß diesem Verfahren wird der Riß mit einer leitfähigen Flüssigkeit aufgefüllt, und der Widerstand einer unbeschädigten Stelle mit dem der beschädigten Stelle verglichen, wobei zunächst als Standard der Widerstand der unbeschädigten Stelle gegenüber der Flüssigkeit selbst festgestellt wird.

In der US 4 034 286 wird ein Verfahren zur Feststellung von Leckagen in Kryostaten beschrieben. Dabei wird eine Flüssigkeit verwendet, die sich bei tiefen Temperaturen verfestigt und dabei ihre Leitfähigkeit ändert. Zudem werden ionenleitfähige Flüssigkeiten wie z. B. eine wäßrige Natriumchloridlösung verwendet.

In der DE-Zeitschrift "Mitteilungen des Vereins Deutscher Emaillfachleute e.V.", Band 3/1955, Heft 6, Seiten 43 bis 45, werden allgemein Verfahren zur Feststellung von Schadstellen in Emaillüberzügen von Metallbehältern beschrieben. U.a. wird ein elektrisches Prüfverfahren beschrieben, gemäß dem der emaillierte Behälter mit einer verdünnten Salzlösung gefüllt wird, in welche eine Elektrode gehängt wird, und das metallische Gefäß, aus dem der emaillierte Behälter besteht, als zweite Elektrode in einen Stromkreis geschaltet und auf Stromdurchgang geprüft wird.

In der GB 1 263 226 wird ein Verfahren zur Feststellung von Defekten in der Isolierschicht eines Wafers, bestehend aus einem leitfähigen Substrat, beschrieben. Gemäß diesem Verfahren wird der Wafer in einen Behälter getaucht, der die positive Elektrode bildet und mit einer organischen Flüssigkeit gefüllt ist. Die negative Elektrode wird in die Flüssigkeit eingetaucht und oberhalb des Wafers positioniert. Weist nun die Isolierschicht Defekte auf, tritt Elektrolyse des Substrats auf, wobei die Flüssigkeit unter Gasbildung zersetzt wird. Anhand der aufsteigenden Gasbläschen kann die Lage der Fehlstellen festgestellt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend er­ wähnten Probleme zu lösen und ein Verfahren zum Feststellen von etwaigen Fehlern in Keramikkörpern bereitzustellen, mit dem in den Keramikkörpern unabhängig von der Geschicklichkeit oder Er­ fahrung der Gütekontrolleure auch äußerst feine Fehler leicht festgestellt werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Feststellen von Fehlern in Keramikkörpern umfaßt die Schritte der Bildung einer elektrisch leitenden Schicht in einem etwaigen Fehler ein­ schließlich feiner Hohlräume, der in dem Keramikkörper vorhan­ den ist, und des anschließenden Feststellens des Vorhanden­ seins oder der Abwesenheit des Fehlers durch Messung der elek­ trischen Leitfähigkeit zwischen zwei gegebenen Stellen, die durch die elektrisch leitende Schicht kurzgeschlossen werden, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Körper ein Sauer­ stoffsensor ist, und die elektrisch leitende Schicht gebildet wird, indem eine Flüssigkeit mit Eindringungsvermögen, die fä­ hig ist, durch eine Wärmebehandlung Kohlenstoff zu bilden, in den Fehler eindringen gelassen wird und die eingedrungene Flüssigkeit mit Eindringungsvermögen in dem Fehler durch Wär­ mebehandlung zersetzt wird.

Die zwei Stellen, die kurzgeschlossen werden, können aus einer Seitenfläche und der anderen Seitenfläche einer Trennwand des Keramikkörpers bestehen oder können zwei Stellen an derselben Oberfläche des Keramikkörpers sein. Als eine der zwei kurzzu­ schließenden Stellen kann eine Elektrode verwendet werden, die innen in dem Keramikkörper vorher bereitgestellt wurde. Als die vorstehend erwähnten zwei kurzzuschließenden Stellen können al­ ternativ Elektroden, die vorher an entgegengesetzten Oberflä­ chen einer Trennwand des Keramikkörpers bereitgestellt wurden, oder Elektroden, die an derselben Oberfläche des Keramikkörpers bereitgestellt wurden, verwendet werden.

Bei dem vorstehend erwähnten Aufbau wird die Flüssigkeit mit Eindringungsvermögen in einen etwaigen Fehler einschließlich eines feinen Hohlraums, der in dem Keramikkörper vorhanden ist, ein­ geführt und durch Wärmebehandlung zersetzt, um den fehlerbehafteten Teil elektrisch lei­ tend zu machen. Wenn die elektrische Leitfähigkeit zwischen den zwei Stellen gemessen wird, die durch die elektrisch leitende Schicht kurzgeschlos­ sen werden, fließt demnach durch elektrische Leitung ein großer Strom, wenn ein solcher Fehler vorhanden ist. Folglich kann das Vorhandensein des Fehlers festgestellt werden, indem die Stärke dieses Stroms mit einem bestimmten Strompegel verglichen wird. Das Vorhandensein oder die Abwesenheit des Fehlers kann deshalb beurteilt werden, ohne auf Handarbeit angewiesen zu sein, so daß das Vorhandensein oder die Abwesenheit des Fehlers automa­ tisch beurteilt werden kann.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beige­ fügten Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine auseinandergezogene Darstellung zur Erläuterung des Aufbaus eines Beispiels eines Sauerstoffsensors, für den das erfindungsgemäße Verfahren zum Feststellen von Fehlern von Keramikkörpern verwendet wird.

Fig. 2 ist eine Darstellung zur Erläuterung des Prinzips, nach dem der Fehler durch das erfindungsgemäße Verfahren festge­ stellt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Feststellen von Fehlern ei­ nes Keramikkörpers ist dadurch gekennzeichnet, daß (1) zunächst ein elektrisch leitendes Material in einen etwaigen Fehler in dem Keramikkörper eingeführt wird, um eine elektrisch leitende Schicht zu bilden, (2) dann die elektrische Leitfähigkeit zwi­ schen zwei Stellen, die durch die elektrisch leitende Schicht kurzgeschlossen werden, gemessen wird und (3) schließlich auf der Grundlage des Ergebnisses eines Vergleichs der gemessenen elektrischen Leitfähigkeit mit einem bestimmten Vergleichswert das Vorhandensein oder die Abwesenheit des Fehlers beurteilt wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Feststellen von Fehlern eines Keramikkörpers wird die Flüssigkeit mit Eindringungsvermögen in den Fehler in dem Ke­ ramikkörper eingeführt. Als Materialien der Keramikkörper, auf die die Erfindung anwendbar ist, können fast alle Materialien einschließlich elektrischer Materialien, elektronischer Mate­ rialien, magnetischer Materialien, Baustoffen und Schneidstof­ fen wie z. B. Zirkoniumdioxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Mullit, ZnO, Bariumtitanat, Glas, β-Aluminiumoxid, Siliciumni­ trid, Siliciumcarbid und Bornitrid erwähnt werden.

Als Flüssigkeit mit Eindringungs­ vermögen, die durch Wärmebehandlung verkohlt werden kann, um eine elektrisch leitende Schicht zu bilden, können beispielsweise Kohlenwasserstoffe wie z. B. Alkylbenzol, flüssige organische Verbindungen, die als Hauptbestandteile Kohlenwasserstoffe wie z. B. hochsiedende Alkohole oder Ester enthalten, und Flüssig­ keiten, die organische Farbstoffe enthalten, verwendet werden. Diese organischen Verbindungen sind beispielsweise p-Isopropyl­ toluol, Terpentinöl, n-Decylalkohol und Phenylmethylaceton.

Die vorstehend erwähnte Flüssigkeit, die fähig ist, durch die Wärmebehandlung die elektrisch leitende Schicht zu bilden, wird in den Fehler des Keramikkörpers eindringen gelassen. Wenn dieser Fehler klein ist oder eine Flüssigkeit verwendet wird, deren Eindringungsvermögen nicht sehr gut ist, kann die Flüs­ sigkeit mit Sicherheit in den Fehler eindringen gelassen wer­ den, indem der Druck vermindert wird, nachdem der Keramikkörper in die Flüssigkeit eingetaucht worden ist.

Dann wird die elektrische Leitfähigkeit zwischen irgendwelchen zwei Stellen, die durch die elektrisch leitende Schicht kurzge­ schlossen werden, gemessen. Elektroden zur Prüfung der elektri­ schen Leitfähigkeit zwischen zwei solchen Stellen können fol­ gendermaßen gebildet werden:
Wenn durch die Wärmebehandlung die elektrisch leitende Schicht gebildet wird, kann die elektrisch leitende Schicht selbst als Elektrode verwendet werden. Alternativ wird durch Pressen bewirkt, daß eine Metallfolie an der Oberfläche des Keramikkörpers anhaftet. Ferner kann in dem Fall, daß die Elektroden vorher bereitge­ stellt werden, ein Verfahren wie z. B. Siebdruck, Galvanisieren bzw. Beschichten, Aufdampfen oder An- bzw. Aufstreichen ange­ wandt werden. Eine solche Elektrode kann beibehalten werden, wenn sie für ein Endprodukt notwendig ist, oder die Elektrode kann in dem Fall, daß sie nicht notwendig ist, durch eine che­ mische oder physikalische Behandlung entfernt werden, nachdem die Prüfung beendet ist.

Die gemessene elektrische Leitfähigkeit wird schließlich mit einem vorher ermittelten Wert verglichen. Wenn auf der Grund­ lage des Ergebnisses des Vergleichs die gemessene elektrische Leitfähigkeit größer ist als der vorstehend erwähnte vorher er­ mittelte Wert, wird geurteilt, daß der Fehler vorhanden ist. Wenn die gemessene elektrische Leitfähigkeit andererseits fast denselben Wert hat wie der vorher ermittelte Wert, wird geur­ teilt, daß kein Fehler vorhanden ist. Auf diese Weise kann das Vorhandensein oder die Abwesenheit des Fehlers festgestellt werden. Es ist notwendig, daß der vorstehend erwähnte vorher ermittelte Wert vorher ermittelt wird, indem die elektrische Leitfähigkeit des Keramikkörpers tatsächlich geprüft wird, wenn an diesen eine Spannung angelegt wird. Der vorher ermittelte Wert wird folgendermaßen erhalten: D.h., an einen fehlerfreien Keramikkörper wird eine Spannung angelegt, die den Keramikkör­ per nicht durchschlägt, und die Stärke des durch den Keramik­ körper fließenden Stroms wird gemessen. Aus der auf diese Weise gemessenen Stromstärke wird die elektrische Leitfähigkeit er­ mittelt und als "vorher ermittelter Wert" angewandt. Die Stärke des durch den Keramikkörper fließenden Stroms hängt z. B. von dem Material und der Größe des Keramikkörpers ab. Nachstehend werden Beispiele für die tatsächliche Feststellung von Fehlern von Keramikkörpern erläutert.

Fig. 1 ist eine auseinandergezogene Darstellung zur Erläuterung des Aufbaus eines Beispiels für Sauerstoffsensoren, auf die das erfindungsgemäße Verfahren zum Feststellen von Fehlern von Keramikkörpern angewandt wird. Der in Fig. 1 gezeigte Sauerstoffsensor weist einen Festelektrolyten 1 und eine Meß­ elektrode 2 und eine Bezugselektrode 3, die jeweils an entge­ gengesetzten Oberflächen des Festelektrolyten 1 bereitgestellt sind, auf. Ein Festelektrolyt 4 hat eine Luftöffnung 4a. Fig. 1 zeigt ferner einen Festelektrolyten 5, eine zum Schutz eines Heizelements 9 dienende Aluminiumoxidschicht 6, einen Festelek­ trolyten 7 und eine Aluminiumoxid-Wärmeschutzschicht 8, die auf dem Festelektrolyten 7 bereitgestellt ist. Das Heizelement 9 ist zwischen den Aluminiumoxidschichten 6 und 8 bereitgestellt; Fig. 1 zeigt ferner Heizelementanschlüsse 10 und eine zum Iso­ lieren der Heizelementanschlüsse dienende Schicht 11. Bei dem so aufgebauten Sauerstoffsensor sind die Aluminiumoxidschichten 6 und 8, die zum Isolieren des Heizelements eingerichtet sind, porös gemacht, um mechanische Spannungen abzuschwächen, die durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Aluminiumoxidschichten und des Festelektrolyten, der z. B. aus Zirkoniumdioxid besteht, hervorgerufen werden.

Bei der veranschaulichten Ausführungsform ist das Heizelement 9 in den porösen Aluminiumoxidschichten 6 und 8 vergraben. Die Aluminiumoxidschichten selbst sind durch die aus dichtem Zir­ koniumdioxid hergestellten Festelektrolyten 5 und 7 völlig von der Außenseite isoliert. Auch in dem Fall, daß das gesamte Bau­ element in die Flüssigkeit eingetaucht wird, dringt die Flüs­ sigkeit folglich nicht bis zu der Aluminiumoxidschicht 6 oder 8 ein, es sei denn, daß in dem Festelektrolyten 5 oder 7 ein Feh­ ler vorhanden ist. Wenn jedoch in dem Festelektrolyten 5 oder 7 ein Fehler vorhanden ist, der sich bis zu der Aluminiumoxid­ schicht 6 oder 8 erstreckt, dringt die Flüssigkeit in die porö­ se Schicht 6 oder 8 ein. In diesem Fall wird die eingedrungene Flüssigkeit durch Anlegen einer Spannung an das Heizelement 9 in eine elektrisch leitende Schicht umgewandelt. Wenn die Temperatur des Bauelements dann beim Anlegen der Spannung an das Heizelement 9 zunimmt, wird der Festelektrolyt schließlich elektrisch leitend. Folglich fließt zwischen der Elektrode 2 oder 3 und dem Heizelement 9 entlang eines in Fig. 2 gezeigten Schaltkreises ein Leckstrom. Durch Messung der Stärke dieses Stroms kann beurteilt werden, ob in einem das Heizelement 9 um­ gebenden Teil des Keramikkörpers ein Riß bzw. ein Sprung vor­ handen ist oder nicht. In dem Fall, daß diese gemessene Strom­ stärke einen gegebenen Wert überschreitet, wird beispiels­ weise ein Arbeiter durch einen Summer gewarnt, so daß der Ar­ beiter das Bauelement als Ausschuß verwirft. Bei dieser Prüfung konnten feine Risse festgestellt werden, die durch Sichtprüfung nicht entdeckt würden. Die vorstehend erwähnte Messung wird un­ ter Bezugnahme auf das folgende besondere Beispiel umrissen.

Nachdem ein organisches Lösungsmittel, das einen Azofarbstoff enthielt, in einen Becher gefüllt worden war, wurde ein Sauer­ stoffsensor, wie er in Fig. 1 gezeigt ist, völlig in die Flüs­ sigkeit eingetaucht. Nachdem der Becher in einen abgedichteten Behälter eingebracht und 3 min lang bei einem Vakuumgrad ent­ sprechend einem Manometerdruck von nicht weniger 93,3 kPa ge­ halten worden war, wurde der Behälter geöffnet und auf Atmo­ sphärendruck gebracht. Das Bauelement wurde aus dem Behälter herausgenommen, und das organische Lösungsmittel, das an der Oberfläche des Bauelements anhaftete, wurde mit Wasser abgewa­ schen. Nachdem das Bauelement mindestens 1 h lang bei einer Temperatur von 120°C getrocknet worden war, wurde das organi­ sche Lösungsmittel verkohlt. Da die Verkohlungstemperatur von der verwendeten Flüssigkeit abhängt, kann die Temperatur nicht definitiv eins-zu-eins festgelegt werden. Die Verkohlungstempe­ ratur kann jedoch zweckmäßigerweise etwa 300 bis 600°C betra­ gen. Die Haltezeit kann etwa 1 bis 5 min betragen. Bei dieser Ausführungsform wurde Strom durch das in dem Bauelement bereit­ gestellte Heizelement fließen gelassen, und die Temperatur an der Oberfläche des Bauelements wurde bei 400 bis 500°C gehal­ ten. Durch dieses Erhitzen wurde das organische Lösungsmittel verkohlt, so daß es elektrische Leitfähigkeit zeigte. Als der Leckstrom gemessen werden sollte, wurde die Temperatur des Bau­ elements auf einen Wert herabgesetzt, der etwa 100 bis 200°C unter der Verkohlungstemperatur lag, und die Stärke des Stroms, der durch das Heizelement 9 und die Meßelektrode 2 oder die Be­ zugselektrode 3 floß, wurde gemessen. Wenn eine solche gemesse­ ne Stromstärke einen vorher ermittelten Wert überschritt, wurde beispielsweise ein Arbeiter durch einen Summer gewarnt, so daß der Arbeiter das Bauelement als Ausschuß verwerfen konn­ te. Bei dieser Prüfung konnte ein feiner Riß festgestellt wer­ den, der durch Sichtprüfung nicht entdeckt würde.

Bei der vorstehend beschriebenen Prüfung erfolgte die Erläute­ rung unter Bezugnahme auf ein mit einem Heizelement versehenes Bauelement. Wenn das Bauelement kein Heizelement aufweist, wird der Keramikkörper in einen elektrischen Ofen eingebracht und an der Luft bei der vorstehend erwähnten Temperatur erhitzt, um das organische Lösungsmittel zu verkohlen. Ferner erfolgte die Erläuterung bei der vorstehend beschriebenen Prüfung unter Be­ zugnahme auf die Verwendung eines organischen Lösungsmittels, das einen organischen Farbstoff enthielt, als Flüssigkeit, die man eindringen lassen kann.

Wie aus der vorstehend erwähnten Erläuterung hervorgeht, wird gemäß der Erfindung eine Flüssigkeit mit Eindringungsver­ mögen, die fähig ist, durch eine Wärmebehandlung eine elektrisch leitende Schicht zu bilden, in den Fehler eindringen gelassen und durch die Wärmebehandlung in dem Fehler eine elektrisch leiten­ de Schicht gebildet und dann die elektrische Leitfähigkeit zwi­ schen irgendwelchen zwei Stellen, die durch die elektrisch lei­ tende Schicht kurzgeschlossen werden, gemessen. Auf diese Weise kann das Vorhandensein oder die Abwesenheit eines Fehlers in dem Keramikkörper festgestellt werden. Folglich kann sogar ein feiner Fehler genau festgestellt werden, ohne auf Sichtprüfung angewiesen zu sein.

Claims (7)

1. Verfahren zum Feststellen eines etwaigen Fehlers in einem Keramikkörper, umfassend die Schritte der Bildung einer elektrisch leitenden Schicht in einem etwaigen Fehler ein­ schließlich feiner Hohlräume, der in dem Keramikkörper vorhan­ den ist, und des anschließenden Feststellens des Vorhanden­ seins oder der Abwesenheit des Fehlers durch Messung der elek­ trischen Leitfähigkeit zwischen zwei gegebenen Stellen, die durch die elektrisch leitende Schicht kurzgeschlossen werden, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Körper ein Sauer­ stoffsensor ist, und die elektrisch leitende Schicht gebildet wird, indem eine Flüssigkeit mit Eindringungsvermögen, die fä­ hig ist, durch eine Wärmebehandlung Kohlenstoff zu bilden, in den Fehler eindringen gelassen wird und die eingedrungene Flüssigkeit mit Eindringungsvermögen in dem Fehler durch Wär­ mebehandlung zersetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit mit Eindringungsvermögen eine Flüssigkeit ist, die hauptsächlich aus einem Kohlenwasserstoff besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit mit Eindringungsvermögen durch Erwärmen auf 300°C bis 600°C thermisch zersetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei gegebenen Stellen Stellen sind, die an entgegenge­ setzten Oberflächen einer Trennwand des Keramikkörpers vorhan­ den sind.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der zwei gegebenen Stellen eine Elektrode ist, die innen in dem Keramikkörper vorher bereitgestellt wurde.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei gegebenen Stellen Elektroden sind, die an entgegenge­ setzten Oberflächen einer Trennwand des Keramikkörpers bereit­ gestellt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei gegebenen Stellen Elektroden sind, die an derselben Oberfläche des Keramikkörpers bereitgestellt werden.