DE4301622C1 - Vorrichtung zur Untersuchung des Gefügezustandes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Untersuchung des Gefügezu­ standes einer Probe aus metallischen Werkstoffen mit mindestens einem Ultraschallwandler, mit dem oder mit denen eine transversale Ultraschall­ welle ohne Koppelmittel erzeugbar und empfangbar ist.

Solche Vorrichtungen können bei der Qualitätskontrolle von stranggepreß­ ten pulvermetallurgischen Werkstoffen eingesetzt werden. Die Halbzeug­ fertigung hochwertiger metallischer Legierungen erfolgt insbesondere auf einem solchen pulvermetallurgischem Wege. Dabei wird das Ausgangspul­ ver in einem Stahlmantel durch Strangpressen verdichtet und konsolidiert Über einen anschließenden Rekristallisationsprozeß wird der Werkstoff in einen vorbestimmten gewünschten Gefügezustand gebracht, der ein grobes und möglichst langgestrecktes Korn aufweist.

Die zerstörungsfreie Feststellung des erreichten Gefüges gestattet eine ohne Probenentnahme durchführbare, schnelle Qualitätskontrolle. Es ist bekannt, daß bei einem Einschallen von Ultraschall-Transversalwellen in einen Polykristall mit anisotropem Gefüge eine Abhängigkeit der Schall­ geschwindigkeit der Ultraschallwellen von der Einschallrichtung und der Polarisationsrichtung besteht. Ferner ist aus dem Artikel "Relationship between elastic anisotropy and texture in metal-matrix composites" von M. Spies und K. Salama aus der Zeitschrift Ultrasonics Vol. 28, Seiten 370 bis 374 (1990) ein Verfahren bekannt, welches es ermöglicht, durch Mes­ sungen mit piezoelektrischen Ultraschallwandlern an quaderförmigen Proben mit planparallelen Oberflächen eine Aussage über die Gefüge- Anisotropie des Werkstoffes zu machen.

Dieses Verfahren weist jedoch den Nachteil auf, daß die Oberflächenbe­ schaffenheit des Hüllmaterials, insbesondere seine Rauheit und seine Ver­ zunderung, eine ausreichende Schallankopplung verhindert Ferner ist keine Messung am bewegten Strangpreß-Halbzeug möglich, da die einzu­ schallende Transversalwelle die Übertragung von Scherkräften, d. h. Schall­ übertragung über ein hochviskoses Koppelmedium, erfordert. Außerdem tritt der Nachteil auf, daß die Materialtemperatur des Halbzeugs unmittel­ bar nach der Fertigung noch mehrere 100 Grad beträgt und eine solche Temperatur den Einsatz von piezoelektrischen Ultraschallwandlern nicht gestattet. Daher muß sich der Einsatz des bekannten Verfahrens auf ent­ nommene und speziell zur Messung vorbereitete Proben beschränken, ist also nicht im strengen Sinne zerstörungsfrei.

Aus der DE 36 29 174 A1 sind Einrichtungen zum Messen der Wanddicke von Rohren bekannt, die bei noch heißem Rohrmaterial eingesetzt werden können. Ihr Vorteil gegenüber anderen elektromagnetischen Ultraschall­ wandlern besteht darin, daß durch das vollständige Umgeben des Rohrs mit den Schallwandlern die Dickenprüfung im wesentlichen unabhängig von einer Abstandsjustierung der Probe bezüglich der jeweiligen Ein­ richtung ist. Eine Gefügemessung zur Ermittlung der Anisotropie einer Probe ist damit nicht möglich.

In der US 4,167,878 ist eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung von Prüflingen beschrieben, die längs einer Ultraschallsonde und einer in dieser eingebetteten Wirbelstromsonde vorbeigeführt werden, wobei eine Anre­ gungsspule hinter der Sondenkombination angeordnet ist. Damit ist eine gemeinsame Wirbelstrom- und Ultraschallmessung möglich, jedoch keine Bewertung der Anisotropie der Probe.

Die DE 31 28 825 C2 lehrt eine in ihrer Funktion dazu ähnliche Vor­ richtung zur zerstörungsfreien Prüfung von ferromagnetischen Rohren oder Stangen, bei der ein zwei Polschuhe aufweisender Magnet zusammen mit Ultraschallwandlern um den Prüfling rotiert. Dabei können die Ultraschall­ wandler auch in einem Winkel von 90 Grad zu den Polschuhen angeordnet werden, so daß gleichzeitig zur Streuflußmessung auch Ultraschallwellen mit Hilfe des rotierenden Magneten angeregt werden können.

Die DE 41 16 208 A1 beschreibt ein weiteres Verfahren zur zerstörungs­ freien Werkstoffprüfung, bei dem unmittelbar am zu prüfenden Bauteil selber gemessen werden soll. Hierbei wird eine Ultraschallgeschwindig­ keitsmessung, für die auch Ultraschallköpfe eingesetzt werden können, mit denen Transversalwellen erzeugbar sind, und eine Koerzitivfeldstärkemes­ sung zusammen durchgeführt, wobei der Prüfkopf zwischen zwei Magneti­ sierungsspulen längs eines Werkstückes angeordnet ist.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die es während des Fertigungsprozesses gestattet, den Gefügezustand des noch heißen Halbzeuges zu bewerten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß für eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß mindestens zwei elektromagnetische Ul­ traschallwandler vorgesehen sind, mit denen jeweils eine linear polarisierte transversale Ultraschallwelle erzeugbar ist, deren jeweilige Polarisations­ richtungen in einem Winkel zueinander stehen, wobei die Ultraschall­ wandler dergestalt angeordnet sind, daß diese Ultraschallwellen im wesent­ lichen am selben Ort mit derselben Ausbreitungsrichtung senkrecht zur Oberfläche in die Probe eingestrahlt und im wesentlichen an einem selben Ort empfangen werden.

Durch den Einsatz von elektromagnetischen Ultraschallwandlern ist ein berührungsunabhängiges Messen möglich, so daß auch ein mehrere 100 Grad Celsius heißes Werkstück beschallt werden kann. Die Anwesenheit des insbesondere ferritischen Stahlmantels und die Verzunderung wirken sich günstig auf das mit Hilfe der elektromagnetischen Ultraschallwandlung erzielbare Signal/Rausch-Verhältnis aus. Durch die fortlaufende Erfassung des jeweiligen Gefügezustandes während des Herstellungsprozesses kann die Rekristallisation von pulvermetallurgisch hergestellten, stranggepreßten Legierungen kontinuierlich überwacht werden. Die dabei gewonnenen Daten können im Fall des Auftretens von Unregelmäßigkeiten während der Her­ stellung einerseits zum Abbruch der Herstellung und damit zum Zeitge­ winn und zur Energieeinsparung durch Vermeidung zusätzlicher Bearbei­ tungsschritte und andererseits zur Prozeßsteuerung selber eingesetzt werden.

Es wird also bei der Vorrichtung zur Erfassung des Gefügezustandes der Umstand ausgenutzt, daß sich der vor der Rekristallisation isotrope Gefü­ gezustand durch die Rekristallisation in einen hochgradig anisotropen Zustand mit ausgeprägter Textur umwandelt. Die dabei entstehenden Änderungen der Ultraschallgeschwindigkeit bewegen sich im Prozentbe­ reich, die einfach nachzuweisen sind.

Vorteilhafterweise werden die Hochfrequenzspulen der Wandler so an­ geordnet, daß ihre Wicklungsrichtungen einen Winkel von 90° miteinander bilden und demzufolge die Polarisationsrichtungen der erzeugten Ultra­ schallwellen rechtwinklig aufeinander stehen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen gekennzeichnet.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine vereinfachte Seitenansicht einer Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 eine vereinfachte Unteransicht der Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Unteransicht und eine Seitenansicht eines Sende- und Empfangswandlers gemäß Fig. 1, und

Fig. 4 eine vereinfachte Seitenansicht einer Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die Fig. 1 und 4 zeigen zwei Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen gemäß der Erfindung zur Durchführung eines Durchschallungs- bzw. eines Impuls-Echo-Verfahrens.

Die Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels zum Einsatz eines Impuls-Echo-Verfahrens.

Eine Probe metallischen Materials ist in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugs­ zeichen 1 versehen. Die Probe 1 besteht aus einer stranggepreßten Legie­ rung, die in einer Hülle angeordnet ist, die zum Beispiel aus ferritischem Material besteht. Die Achse 2 der Probe 1 gibt gleichzeitig die Vorschub­ richtung der Probe 1 im Fertigungslauf an.

Die Vorrichtung zur Untersuchung des Gefügezustandes ist auf die Stan­ genoberfläche 3 der Probe 1 aufgesetzt oder in einem kleinen Abstand zu dieser angeordnet. Diese ist insgesamt mit dem Bezugszeichen 4 versehen. Die Vorrichtung 4 besteht aus einem E-förmigen Joch 5 eines Elektroma­ gneten, dessen Spule 6 um den Mittelpolschuh 7 herumgewunden ist. Die seitlichen Jochenden 17 setzen direkt oder über eine Verschleißschutz­ schicht auf der Stangenoberfläche 3 auf. Der Mittelpolschuh 7 selbst ist etwas kürzer als die Jochenden 17 ausgestaltet und gestattet die Ausbildung eines Hohlraums 8 zwischen diesem und der Stangenoberfläche 3. In diesen Hohlraum 8 sind zwei Ultraschallwandler 9 und 19 übereinander eingesetzt. Die Ultraschallwandler 9 und 19 sind vorzugsweise in iden­ tischer Weise aufgebaut, wobei sie bezüglich der Symmetrieachse 10 des Magneten 4 gegeneinander verdreht angeordnet sind, wobei vorteilhafter­ weise die Ultraschallwandler 9 und 19 gegeneinander um einen Winkel von 90° verdreht sind.

Mit Hilfe des Elektromagneten 4 wird zwischen den Polen ein Magnetfeld erzeugt, das im Bereich des Hohlraums 8 senkrecht zur Stangenoberfläche 3 und damit parallel zu der Achse 10 ausgerichtet ist und diese Stangen­ oberfläche 3 durchdringt. Damit werden mit Hilfe der Ultraschallwandler 9 und 19 zwei, entsprechend zwei unterschiedlichen Gefügeachsen ausgerich­ tete, transversale, linear polarisierte Ultraschallwellen in die Probe 1 eingestrahlt. Diese werden, wie aus der übereinander vorgesehenen Anord­ nung der Ultraschallwandler 9 und 19 hervorgeht, im wesentlichen am selben Ort, nämlich um die Achse 10 herum, eingestrahlt. Damit ergibt sich für beide linear polarisierte Wellen der jeweils gleiche Laufweg.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wirken die Ultraschallwandler 9 und 19 ebenfalls als Empfangswandler, so daß zurücklaufende Schallwellen im Impuls-Echo-Verfahren aufgenommen werden.

Durch den anisotropen Gefügezustand, der sich durch gestreckte lange Körner im Gefüge der Probe 1 auszeichnet, werden sich die beiden linear polarisierten, transversal eingestrahlten Ultraschallwellen mit unterschiedli­ cher Ausbreitungsgeschwindigkeit durch die Probe 1 bewegen. Damit ergibt sich eine Laufzeitdifferenz bei zeitgleich am selben Ort eingeschallten Ultraschallwellen, aus der in direkter Weise auf die Geschwindigkeits­ differenz geschlossen werden kann, die ein Maß für die Anisotropie der Probe 1 ist. Es ist also mit beiden Ultraschallwandlern 9 und 19 die Ultraschallaufzeit über die Probendicke erfaßt und die Tatsache benutzt, daß die Laufzeitdifferenz bezogen auf die Gesamtlaufzeit insbesondere laufwegunabhängig ist.

Damit ist es möglich, die Probe 1 bei ihrer Fortbewegung im Fertigungs­ prozeß entlang der Achse 2 kontinuierlich durchzumessen und somit noch während der Fertigung die Qualität der Probe zu beurteilen. Sollten die gefundenen Ergebnisse nicht in eine Steuerung der Prozeßparameter einfließen, so ist es möglich, die Herstellung der jeweils gerade unter­ suchten Stange zu beenden und so weitere zeit- und kostenintensive Bearbeitungsschritte einer qualitativ nicht weiterverwendbaren Stange zu vermeiden.

Die Fig. 2 zeigt eine in ihrer Darstellung ebenfalls vereinfachte Unter­ ansicht der Vorrichtung nach Fig. 1. Gleiche Merkmale sind in allen Zeichnungen mit gleichen Bezugszeichen versehen. Von der Unterseite, d. h. von der Stangenoberfläche 3 aus gesehen, ist das E-förmige Joch 5 zu erkennen, unter dessen Mittelpolschuh 7 die beiden Ultraschallwandler 9 und 19 angeordnet sind. Diese bestehen aus den wirksamen Sendespulen­ windungen 12 bzw. Empfangsspulenwindungen 13 und den weiter vom Werkstück abgehobenen Rückführungen 11.

Diese sind besser in der Fig. 3 zu erkennen, die eine Unteransicht und eine Seitenansicht eines einzigen Sende- und Empfangswandlers 9 gemäß Fig. 1 zeigt. Genauer gesagt besteht ein Sende- und Empfangswandler 9 beispiels­ weise aus zwei ineinander angeordneten Spulensystemen 12 und 13, wobei mit dem Bezugszeichen 12 eine Abfolge von Sendespulenwindungen und mit dem Bezugszeichen 13 eine Abfolge von Empfangsspulenwindungen bezeichnet sind. Diese jeweils parallel verlaufenden Windungen, die rechtwinklig zu dem Magnetfeld entsprechend der Achse 10 und rechtwink­ lig zu der Stangenachse 2 angeordnet sind, gestatten die Erzeugung einer linear polarisierten transversalen Ultraschallwelle.

Mit einem Rückblick auf die Fig 2 ist zu erkennen, daß die Spulenwindun­ gen des Ultraschallwandlers 19 ebenfalls rechtwinklig zu dem Magnetfeld entsprechend der Achse 10, aber in einem Winkel von 90° zu dem Wandler 9 verdreht, und damit in Richtung der Stangenachse 2, angeordnet sind. Somit werden durch die Spulenelemente 9 und 19 die beiden rechtwinklig zueinander polarisierten Ultraschallwellen erzeugt, mit denen der Gefüge­ zustand in zwei unterschiedlichen Richtungen entlang der gleichen Achse abgetastet werden kann.

Die Fig. 4 schließlich zeigt eine Seitenansicht einer Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hier ist auf beiden Seiten der Probe 1 ein Elektromagnet 4 bzw. 14 angeordnet, unter dessen Mittelpolschuh 7 auf der einen Seite ein Ultraschallwandler 29 zur Erzeu­ gung der einen polarisierten Ultraschallwelle und auf der anderen Seite ein Ultraschallwandler 49 zum Empfang der besagten polarisierten Ultra­ schallwelle angeordnet ist. Dieselbe Anordnung ist entsprechend für die zweiten, gegenüber den genannten ersten Ultraschallwandlern 29 und 49 um die Achse 10 gedrehten Ultraschallwandler 39 und 59 vorgesehen, wobei sich vorteilhafterweise beide Sendewandler 29 und 39 auf derselben Seite der Stange der Probe 1 befinden sollten, so daß jeweils derselbe Ein­ schallort gewährleistet ist. Bei dieser Vorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel werden die Schallsignale entsprechend einem Ver­ fahren der Impuls-Durchschallung aufgefangen und verarbeitet.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung sind in den Zeich­ nungen nicht dargestellte Kühlmittel vorgesehen, die ein Heranführen der Vorrichtung an die noch heiße Probe 1 bei Temperaturen von bis zu 650° Celsius gestatten.

Die Durchführung der Messung unmittelbar im Anschluß an den Rekristal­ lisationsprozeß erlaubt es, im Falle von Abweichungen vom angestrebten Rekristallisationszustand rückkoppelnd in den Prozeß einzugreifen.

Bei der Erfindung wird dabei ausgenutzt, daß der Grad des angestrebten Rekristallisationszustandes aus der Ultraschall-Geschwindigkeitsdifferenz senkrecht zueinander polarisierter Transversalwellen abgeleitet werden kann, die sich durch die Ausbildung eines hochgradig anisotropen Gefüge­ zustandes mit ausgeprägter Textur ergibt. Dabei ist sowohl bei einer Impuls- Durchschallung als auch bei einer Impuls-Echo-Messung an Stangenmate­ rial mit senkrecht zur Stangenrichtung eingeschallten Transversalwellen die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen senkrecht zueinander polarisierten Transversalwellen auf die Messung der Laufzeitdifferenz zurückführbar, da die am selben Ort eingeschallten Wellen denselben Laufweg zurücklegen.

Durch die Verwendung von elektromagnetischen Ultraschallwandlern wird die Reproduzierbarkeit der Ultraschallwandlung durch die rauhe ver­ zunderte Oberfläche des Mantelmaterials nur unerheblich beeinflußt, wobei das zu prüfende Werkstück zusätzlich während der Messung kon­ tinuierlich an den Wandlern vorbeigezogen werden kann. Dabei werden vorteilhafterweise zwei Paare von Hochfrequenz-Sende- und Empfangs­ spulen 12 und 13 kreuzweise in einem Magnetfeld angeordnet, so daß zwei im Winkel zueinander polarisierte Transversalwellen ohne eine Drehung der Wandler am selben Ort eingeschallt und empfangen werden können.

Claims (3)

1. Vorrichtung zur Untersuchung des Gefügezustandes einer Probe (1) aus metallischen Werkstoffen mit mindestens einem Ultraschallwandler (9, 19, 29, 39, 49, 59), mit dem oder mit denen eine transversale Ultraschall­ welle ohne Koppelmittel erzeugbar und empfangbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei elektromagnetische Ultra­ schallwandler (9, 19; 29, 39, 49, 59) vorgesehen sind, mit denen jeweils eine linear polarisierte transversale Ultraschallwelle erzeugbar ist, deren jeweili­ ge Polarisationsrichtungen in einem Winkel zueinander stehen, wobei die Ultraschallwandler (9, 19; 29, 39, 49, 59) dergestalt angeordnet sind, daß diese Ultraschallwellen im wesentlichen am selben Ort mit derselben Aus­ breitungsrichtung (10) in die Probe (1) eingestrahlt und im wesentlichen an einem selben Ort empfangen werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen den Polarisationsrichtungen der Ultraschallwellen 90° beträgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hochfrequenz-Spulen (12, 13) der Ultraschallwandler kreuzweise übereinander angeordnet sind.