WO2016023055A1 - Verfahren zur prüfung eines körpers mit sprödem materialverhalten - Google Patents

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WO2016023055A1
WO2016023055A1 PCT/AT2015/050194 AT2015050194W WO2016023055A1 WO 2016023055 A1 WO2016023055 A1 WO 2016023055A1 AT 2015050194 W AT2015050194 W AT 2015050194W WO 2016023055 A1 WO2016023055 A1 WO 2016023055A1
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temperature
thermal shock
cracks
shock treatment
temperature difference
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PCT/AT2015/050194
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Stefan Strobl
Reinhold Ebner
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Materials Center Leoben Forschung Gmbh
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    • G01N2203/0058—Kind of property studied
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    • G01N2203/0062—Crack or flaws
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    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/60—Investigating resistance of materials, e.g. refractory materials, to rapid heat changes

Definitions

  • the invention relates to a method for testing a body with brittle
  • Material behavior in particular a ceramic body, on suitability for use, the body at least partially subjected to a thermal shock treatment by cooling or heating from a first temperature to a second temperature and existing cracks are detected, which is decided on the basis of the detected cracks on the fitness for use of the body. Due to their good property profile, ceramic bodies are used in many different fields of technology. The particularly preferred properties of ceramic bodies include in particular a high hardness and an excellent
  • Ceramic bodies can also be used when in use rapid
  • ceramic bodies have cracks on the surfaces, but also on the inside, which can be caused, in particular, by the production and / or reworking, for example grinding.
  • ceramic components are very sensitive, which is why ceramic components are generally often subject to cracks. Due to operational stresses, cracks can cause a ceramic component to fail. A crack can grow under stress and therefore become one
  • Thermal shock method has become known. In these processes, ceramic components are subjected to a thermal shock treatment prior to use for testing.
  • a thermal shock treatment is understood to mean a spontaneous, ie in a short time, temperature increase or cooling of a ceramic component.
  • a thermal shock treatment of ceramic components is for example from
  • the object of the invention is to provide a method of the type mentioned, with which a ceramic body is reliably tested for suitability for use and wherein the Method is designed so that a variety of ceramic bodies can be subjected to a test.
  • Thermal shock treatment is subjected to at least the minimum temperature difference.
  • An advantage achieved by the invention is the fact that even with larger lot sizes 100% applicable overload test (proof test) is given, which is reliable for eliminating defective ceramic parts, but also other body with brittle, especially linear elastic, material behavior is suitable, with a
  • the invention utilizes the knowledge that a breaking strength of a body with linearly elastic material behavior in use is determined by already existing near-surface or internal cracks. If a breaking strength of the body to be achieved in use is specified, a fracture toughness of the material is also used to determine a critical crack size for use, which has a threshold value for the
  • K> K Ic with K a Re fYyfcm (1), where K stands for the stress intensity factor, K
  • ⁇ Ref a reference stress in a non-cracked sample
  • a the size of the crack
  • Y a geometric factor that takes into account the geometry of the crack, stress field and specimen.
  • the stress intensity K is the fracture toughness K
  • Thermal Shock treatment with the given temperature difference or positive tested body in use meet the stress profile.
  • the test conditions ensure that during the thermal shock
  • the temperature difference is chosen so that the breaking strength of the body is exceeded in use with a tolerance.
  • this tolerance is low, so that is tested just above the final load. If, for example, a breaking strength of 800 MPa is required on the surface, this value may, for example, be 880 MPa for the purposes of the test be increased in order to additionally have a tolerance margin available. This ensures that only bodies are used that have already been tested for a higher load and have withstood this.
  • the tolerance window upwards is usually not more than 20%, preferably not more than 15%, in particular not more than 10%, so that the body in the test method is not stressed significantly beyond the load during use. This ensures that the test conditions, with additional safety, correspond to the conditions of use.
  • thermal shock treatment For example, an area-wise rapid heating with a powerful laser can be done.
  • the cracks can basically be detected in any way, for example acoustically or by vibration analysis. Cracks inside bodies can be detected by ultrasound or X-rays. In a test of a surface of a body, however, it is particularly preferable and easy if the cracks are optically detected. For this purpose, the cracks can be marked with a crack penetration color. In this case, the body to be tested is immersed, for example, in a colored liquid. The colored liquid remains after removal of the body from the
  • the cracks are provided with a fluorescent crack penetration paint, whereupon the cracks are visualized under ultraviolet light.
  • the body or bodies to be tested then merely have to be immersed in a liquid and can then be inspected immediately. Body with too large cracks are then eliminated. This method is especially suitable for testing cracks on the surface.
  • the method according to the invention is also particularly suitable for being used in a running production.
  • the body is heated in an oven in the passage to the first temperature.
  • a conveyor may be provided, with which the body is transported through the oven.
  • the body can be performed with the conveyor to a quenching agent.
  • a fluid such as water or oil is suitable as a quenching agent.
  • a deterrent with a gas In a gas quench, the gas can be applied to the body at elevated pressure.
  • the body (s) When the body (s) are delivered to a fluid as a quench with a delivery, the body (s) may simply be dropped into the fluid to achieve the thermal shock treatment.
  • the fluid has a given second temperature.
  • the thermal shock treatment is carried out with a heating and a subsequent quenching in a single device, in particular when working with a gas for a quenching of a first temperature.
  • Heating can be done under any adjustable atmosphere, but also under vacuum.
  • the gas is applied under high pressure to the body, e.g. B. with a pressure of 2 bar or more.
  • an inhomogeneous temperature field is set on and / or in the body during the thermal shock treatment, which can be achieved by rapid heating in combination with rapid cooling.
  • the thermal shock treatment may refer to a near-surface zone of the body or the entire body. It is also possible that the Thermal shock treatment is performed in a range in which a maximum load on the body is given in use. In particular, edges of a body can also be subjected to the thermal shock treatment. Further features, advantages and effects of the invention will become apparent from the embodiments illustrated below. In the drawings, to which reference is made, show:
  • FIG. 1 shows a device for thermal shock treatment.
  • Fig. 2 is a schematic representation of a temperature profile at a
  • Fig. 3 is a schematic representation of the inspection of bodies with crack penetration.
  • a device 2 is shown, which is designed in particular for carrying out a method according to the invention in a continuous pass.
  • Apparatus 2 comprises a furnace 3, which is designed as a continuous furnace.
  • a conveyor 4 for example, a temperature-resistant conveyor belt out.
  • a container 5 connects, in which water or other fluid is as a quenching agent.
  • the bodies 1 are brought in the oven 3 on passage to a predetermined first temperature T1, until they ultimately have at the latest at the end of the furnace 3 homogeneously a first temperature T1.
  • the bodies 1 are dropped into the quenching means having a predetermined second temperature T2 which is lower than the first temperature T1.
  • a thermal shock treatment is brought about.
  • a sieve 7 or other means is arranged in this. If the sieve 7 is filled with bodies 1, they are removed with the sieve 7 and immersed in another container 6, which has a solution with a fluorescent crack penetration color. After a brief immersion, the bodies 1 are removed from this further container 6 and then examined optically for supercritically long cracks under a UV light source 8. Body 1, which exceed a permissible maximum crack size, are excreted. In Fig.
  • the body or bodies 1 is heated to a predetermined temperature T1. After the body or bodies 1 have homogeneous the first temperature T1, they can be quenched in one or with a medium such as a fluid or gas to a second temperature T2. A temperature difference between the first temperature T1 and the second temperature T2 is designed so that it corresponds with a predetermined tolerance up a mechanical load of a body 1 in use.
  • the bodies 1 may be any ceramic bodies 1.
  • the method proves itself in ceramic bodies 1, which should have a particularly high quality on the surface for use, because a material failure can lead to complications that are expensive to fix. This may be, for example, ceramic implants such as artificial joints, dentures or dental bridges, which may be an additional operation of the failure in case of failure
  • Fig. 3 is also shown schematically how the crack penetration color after the thermal shock treatment on bodies 1 represents. While a left body 1 has only small and thus acceptable cracks, which are not noticeably grown during the thermal shock treatment, a body 1 shown on the right has two major cracks, which would lead to material failure in use, because the cracks after the thermal shock treatment already are supercritical long. Therefore, the right body 1 is eliminated, whereas the left body 1 is operational.
  • a silicon nitride ceramic body 1 may be tested by a method as set forth above before being installed in ball bearings. For this purpose, the body 1 as described subjected to a test by thermal shock and then applied with crack penetration to detect supercritical long cracks and thus defective or not suitable for use body. 1 to be able to leave. With a spherical geometry the body 1 and a diameter of approx. 12.7 mm can for a desired or required
  • the material properties such as density and thermal conductivity are assumed and the heat transfer coefficients are taken into account.
  • the minimum strength of, for example, 700 MPa a tolerance range of 70 MPa be provided so that the load is designed to 770 MPa.
  • Temperature difference then optionally be calculated analytically. For example, this results in the balls of silicon nitride with a diameter of 12.7 mm at 700 MPa required load and immersed in moving water one
  • Quenching agent and at a second temperature T2 of 25 ° C with 725 ° C is calculated.
  • a numerical calculation is required, with a presumed temperature-independent heat transfer coefficient depending on the material as a rule of thumb that corresponds to larger bodies 1, a temperature difference of 1 ° C about 2 MPa to 3 MPa.
  • a test can also be performed in other ways.
  • body 1 can be partially or completely heated with a gas burner and then cooled with an air jet.
  • a thermal shock treatment can be limited to individual areas of a body 1, which is subject to particularly high loads in use.
  • a continuous furnace with subsequent quenching in an external unit is also a test in a combined heating and
  • Quenching system advantageous.
  • An example of this is the warming in one
  • Vakuumhärteaggregat which can be used in the heating with or without vacuum, followed by Hochlichgasabschreckung.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung eines Körpers mit sprödem Materialverhalten, insbesondere eines keramischen Körpers, auf Einsatztauglichkeit, wobei der Körper zumindest bereichsweise einer Thermoschockbehandlung durch Abkühlung oder Erwärmung von einer ersten Temperatur (T1) auf eine zweite Temperatur (T2) unterworfen und vorhandene Risse detektiert werden, wonach auf Grundlage der detektierten Risse über die Einsatztauglichkeit des Körpers entschieden wird. Um eine 100%ige Kontrolle von Körpern mit hoher Zuverlässigkeit zu ermöglichen, wird gemäß der Erfindung auf Basis einer geforderten Bruchfestigkeit des Körpers im Einsatz eine minimale Temperaturdifferenz zwischen der ersten Temperatur (T1) und der zweiten Temperatur (T2) für die Thermoschockbehandlung ermittelt.

Description

Verfahren zur Prüfung eines Körpers mit sprödem Materialverhalten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung eines Körpers mit sprödem
Materialverhalten, insbesondere eines keramischen Körpers, auf Einsatztauglichkeit, wobei der Körper zumindest bereichsweise einer Thermoschockbehandlung durch Abkühlung oder Erwärmung von einer ersten Temperatur auf eine zweite Temperatur unterworfen und vorhandene Risse detektiert werden, wonach auf Grundlage der detektierten Risse über die Einsatztauglichkeit des Körpers entschieden wird. Keramische Körper finden aufgrund eines guten Eigenschaftsprofils vielfältigen Einsatz in verschiedenen Bereichen der Technik. Zu den besonders bevorzugten Eigenschaften keramischer Körper zählen insbesondere eine hohe Härte sowie ein exzellentes
Verschleißverhalten. Dies macht keramische Körper beispielsweise interessant für einen Einsatz in Implantaten, Wälzlagern oder Schneidelementen sowie anderen Massenwaren. Oft sind diese keramischen Körper im Einsatz hohen Beanspruchungen im
oberflächennahen Bereich ausgesetzt, gegebenenfalls auch bei hohen Temperaturen.
Keramische Körper können auch eingesetzt werden, wenn im Einsatz rasche
Temperaturwechsel erfolgen, beispielsweise bei biegebeanspruchten Ventilen,
Werkzeugen, Rohren oder anderen Teilen. Aber auch für Bauteile, bei welchen im Einsatz hohe lokale Druckbeanspruchungen gegeben sind, wie bei Wälz- oder Kugellagern, bewähren sich keramische Körper.
Inhärent weisen keramische Körper an den Oberflächen, aber auch im Inneren Risse auf, die insbesondere durch die Herstellung und/oder eine Nachbearbeitung, beispielsweise ein Schleifen, bedingt sein können. Vor allem bei einer Nachbearbeitung reagieren keramische Bauteile sehr empfindlich, weshalb keramische Bauteile grundsätzlich oftmals mit Rissen behaftet sind. Durch einsatzbedingte Spannungen können Risse dazu führen, dass ein keramisches Bauteil versagt. Ein Riss kann unter Belastung wachsen und daher zu einem
unerwünschten Materialversagen führen. Im Rahmen der gegenständlichen Erfindung wurde erkannt, dass je nach Belastung zwischen unterkritischen und überkritischen Rissen unterschieden werden kann.
Unterkritisch kleine Risse, die in der Regel bei allen keramischen Körpern bzw. Bauteilen vorhanden sind, breiten sich selbst bei einer Belastung im Einsatz nicht aus und sind daher nicht weiter kritisch. Hingegen können überkritisch lange Risse dazu führen, dass diese bei Belastung im Einsatz rasch stark wachsen und letztlich ein Versagen des Bauteils bewirken.
Es wäre wünschenswert, ein Prüfverfahren parat zu haben, das es auf einfache Weise ermöglicht, keramische Körper bzw. Bauteile auf eine Einsatztauglichkeit zu untersuchen.
Aus dem Stand der Technik sind für keramische Bauteile sogenannte
Thermoschockverfahren bekannt geworden. Bei diesen Verfahren werden keramische Bauteile vor einem Einsatz zur Prüfung einer Thermoschockbehandlung unterzogen. Unter einer Thermoschockbehandlung wird im Rahmen der gegenständlichen Erfindung eine spontane, also in kurzer Zeit erfolgende Temperaturerhöhung oder Abkühlung eines keramischen Bauteils verstanden.
Eine Thermoschockbehandlung keramischer Bauteile ist beispielsweise aus der
DE 10 2010 017 351 A1 bekannt, die ein spezielles Verfahren zur Prüfung von keramischen Bauteilen für Solarabsorber beschreibt, wobei die keramischen Bauteile innerhalb einer kurzen Zeit einer schnellen Erhitzung ausgesetzt werden, um fehlerhafte Bauteile gezielt zum Ausfall zu bringen. Eine Detektion von auftretenden Rissen erfolgt während eines nachfolgenden Abkühlens akustisch. Wird ein Wachsen eines Risses detektiert, wird das Bauteil ausgeschieden. Nachteilig dabei ist, dass der entsprechend ausgelegte Prüfversuch relativ unspezifisch ist. Abgesehen davon, dass sich dieser Versuch nicht für mechanisch hoch belastete Bauteile eignet, haftet diesem Prüfverfahren insbesondere der Nachteil an, dass auch Bauteile ausgeschieden werden, die eventuell brauchbar sein könnten, weil lediglich nicht kritische Risse detektiert werden und keine Differenzierung zwischen kritischen und nicht kritischen Rissen erfolgt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem zuverlässig ein keramischer Körper auf Einsatztauglichkeit prüfbar ist und wobei das Verfahren so ausgelegt ist, dass auch eine Vielzahl von keramischen Körpern einer Prüfung unterzogen werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst, wenn bei einem Verfahren der eingangs genannten Art auf Basis einer geforderten Bruchfestigkeit des Körpers im Einsatz eine minimale
Temperaturdifferenz zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur für die Thermoschockbehandlung ermittelt und der Körper anschließend der
Thermoschockbehandlung mit zumindest der minimalen Temperaturdifferenz unterworfen wird.
Ein mit der Erfindung erzielter Vorteil ist darin zu sehen, dass ein auch bei größeren Losgrößen 100%ig anwendbarer Überlastversuch (Proof-Test) angegeben wird, der sich zuverlässig zum Ausscheiden schadhafter Keramikteile, aber auch anderer Körper mit sprödem, insbesondere linear elastischem, Materialverhalten eignet, wobei ein
Mindestwert einer Bauteilfestigkeit gewährleistet wird. Die Erfindung nutzt dabei unter anderem die Erkenntnis, dass eine Bruchfestigkeit eines Körpers mit linear elastischem Materialverhalten im Einsatz durch bereits vorhandene oberflächennahe oder im Inneren vorhandene Risse bestimmt wird. Ist eine zu erreichende Bruchfestigkeit des Körpers im Einsatz vorgegeben, ist dadurch über die Bruchzähigkeit des Materials auch eine kritische Rissgröße für den Einsatz bestimmt, die einen Schwellwert für die
Thermoschockbehandlung darstellt.
Als Grundlage für die Auslegung einer Prüfung mittels Thermoschock für Materialien mit linear elastischem Materialverhalten wird vom Griffith/Irwin-Kriterium ausgegangen, wonach
K > KIc mit K = aRefYyfcm (1), wobei K für den Spannungsintensitätsfaktor steht, K|C den kritischen
Spannungsintensitätsfaktor darstellt, <^Ref für eine Referenzspannung in einer Probe ohne Riss steht, a für die Größe des Risses steht und Y einen geometrischen Faktor darstellt, mit welchem die Geometrie des Risses, des Spannungsfeldes und des Probenkörpers berücksichtigt wird. Unter Verwendung der Gleichung ath = F— AT
ln 1 - V (2) für die thermisch induzierten Spannungen, in welcher ath für die thermisch induzierten Spannungen und F für einen Faktor für die Bauteilgeometrie und die Quenchparameter steht, der zwischen 0 und 1 liegt, und wobei E für den Young-Modul, v für das Poisson- Verhältnis und ΔΤ für die Temperaturdifferenz bei der Thermoschockbehandlung steht, lässt sich K für den konkreten Versuch bei Vorliegen eines Risses mit der Länge a wie folgt berechnen: KIC = F
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(3)
1 - Veff
Zur Verlängerung eines Risses bzw. eines Defektes kommt es dann, wenn am Ort des Risses bzw. Defektes entsprechend Gleichung (3) die Spannungsintensität K die Bruchzähigkeit K|C des Materials erreicht. Durch Umformulierung der vorstehenden Gleichung (3) ergibt sich für idealisierte Bedingungen wie temperaturunabhängige
Material parameter und geringe Spannungsänderungen über den Rissverlauf, dass eine bestimmte kritische Rissgröße bei vorgegebener Probengeometrie und geforderter (Mindest-)Bruchfestigkeit einer bestimmten kritischen Temperaturdifferenz AJC bei der Thermoschockbehandlung entspricht. Unter nicht idealisierten Bedingungen lässt sich diese Temperaturdifferenz nummerisch berechnen. Wird die Temperaturdifferenz entsprechend eingestellt, kann zuverlässig sichergestellt werden, dass alle der
Thermoschockbehandlung mit der gegebenen Temperaturdifferenz standhaltenden bzw. positiv geprüften Körper im Einsatz dem Beanspruchungsprofil genügen. Durch die Prüfbedingungen wird dabei sichergestellt, dass bei dem Thermoschock
Spannungsverteilungen auftreten, welche der Belastung im Einsatz möglichst nahe kommen. Körper, die im Prüfverfahren zu unzulässig langen Rissen geführt haben, die im Einsatz weiterwachsen könnten, können hingegen ausgeschieden werden.
Zweckmäßigerweise ist vorgesehen, dass die Temperaturdifferenz so gewählt wird, dass die Bruchfestigkeit des Körpers im Einsatz mit einer Toleranz überschritten wird.
Vorzugsweise ist diese Toleranz gering, sodass knapp oberhalb der finalen Belastung geprüft wird. Ist beispielsweise an der Oberfläche eine Bruchfestigkeit von 800 MPa gefordert, kann dieser Wert für die Zwecke der Prüfung beispielsweise auf 880 MPa erhöht werden, um zusätzlich einen Toleranzspielraum zur Verfügung zu haben. Damit ist sichergestellt, dass nur Körper eingesetzt werden, die bereits auf eine höhere Belastung geprüft worden sind und dieser standgehalten haben. Das Toleranzfenster nach oben beträgt üblicherweise maximal 20 %, bevorzugt maximal 15 %, insbesondere maximal 10 %, damit der Körper im Prüfverfahren nicht deutlich über die Belastung im Einsatz hinaus beansprucht wird. Dies stellt sicher, dass die Prüfbedingungen, mit einer zusätzlichen Sicherheit, den Einsatzbedingungen entsprechen.
Obwohl es nicht zwingend ist, hat es sich für bestimmte Anwendungen als günstig erwiesen, wenn der Körper so lange auf die erste Temperatur erwärmt wird, bis dieser in erwärmten Bereichen homogen die erste Temperatur aufweist, und anschließend rasch abgekühlt wird. Dadurch ergeben sich vergleichsweise einfache geometrische
Rahmenbedingungen für die Kalkulation der minimalen Temperaturdifferenz und eine einfache Verfahrensführung durch Quenchen. Gleichwohl ist es auch möglich, dass in einer Verfahrensvariante auf die Einstellung einer konstanten bzw. homogenen ersten Temperatur im zum prüfenden Körper verzichtet wird. In diesem Fall wird lediglich ein oberflächennaher Bereich auf die erste Temperatur erwärmt und anschließend rasch abgekühlt. Analoges gilt, wenn die Thermoschockbehandlung aus einem raschen
Aufheizen besteht. Ein rasches Aufheizen kommt insbesondere bei Bauteilen infrage, bei welchen einsatzbedingt innenliegende Zugspannungen auftreten. Dadurch treten im äußeren Bereich Druckspannungen und im Inneren Zugspannungen auf. Sofern nur eine im Einsatz speziell beanspruchte Stelle eines Bauteils zu prüfen ist, kann es unabhängig von der Temperaturführung auch ausreichend sein, nur diese der
Thermoschockbehandlung zu unterwerfen. Beispielsweise kann ein bereichsweises rasches Aufheizen mit einem leistungsstarken Laser erfolgen.
Die Risse können grundsätzlich auf beliebige Art detektiert werden, beispielsweise akustisch oder durch Schwingungsanalysen. Risse im Inneren von Körpern können mit Ultraschall oder Röntgenstrahlung detektiert werden. Bei einer Prüfung einer Oberfläche eines Körpers ist es aber besonders bevorzugt und einfach, wenn die Risse optisch detektiert werden. Hierfür können die Risse mit einer Risseindringfarbe kenntlich gemacht werden. Dabei wird der zu prüfende Körper beispielsweise in eine gefärbte Flüssigkeit getaucht. Die gefärbte Flüssigkeit verbleibt nach Entnahme des Körpers aus der
Flüssigkeit in den Rissen und bildet diese nach. Hierfür ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Risse mit einer fluoreszierenden Risseindringfarbe versehen werden, worauf die Risse unter ultraviolettem Licht sichtbar gemacht werden. Der oder die zu prüfenden Körper brauchen dann bloß in eine Flüssigkeit getaucht werden und können anschließend sofort inspiziert werden. Körper mit zu großen Rissen werden dann ausgeschieden. Dieses Verfahren ist vor allem zur Prüfung von Rissen an der Oberfläche geeignet.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere auch dafür, in einer laufenden Produktion eingesetzt zu werden. Hierfür kann vorgesehen sein, dass der Körper in einem Ofen im Durchlauf auf die erste Temperatur erwärmt wird. Dazu kann beispielsweise ein Fördermittel vorgesehen sein, mit dem der Körper durch den Ofen transportiert wird. Anschließend kann der Körper mit dem Fördermittel zu einem Abschreckmittel geführt werden. Als Abschreckmittel eignet sich insbesondere ein Fluid wie Wasser oder Öl. Möglich ist aber auch eine Abschreckung mit einem Gas. Bei einer Abschreckung mit Gas kann das Gas mit erhöhtem Druck auf den Körper geführt werden.
Wird der oder die Körper mit einem Fördermittel zu einem Fluid als Abschreckmittel geführt, kann der bzw. die Körper einfach in das Fluid fallen gelassen werden, um die Thermoschockbehandlung zu erreichen. Das Fluid weist dabei eine gegebene zweite Temperatur auf.
Möglich ist es im Rahmen der Erfindung auch, dass die Thermoschockbehandlung mit einer Erwärmung und einem anschließenden Quenchen in einer einzelnen Vorrichtung durchgeführt wird, insbesondere wenn mit einem Gas für eine Abschreckung von einer ersten Temperatur gearbeitet wird. Ein Erwärmen kann dabei unter beliebig einstellbarer Atmosphäre, aber auch unter Vakuum erfolgen. Bei einem Quenchen mittels eines Gases ist es bevorzugt, dass das Gas unter Hochdruck auf den Körper aufgebracht wird, z. B. mit einem Druck von 2 bar oder mehr.
In einer weiteren Verfahrensvariante wird bei der Thermoschockbehandlung ein inhomogenes Temperaturfeld am und/oder im Körper eingestellt, was sich durch ein rasches Erwärmen in Kombination mit einem raschen Abkühlen erreichen lässt.
Die Thermoschockbehandlung kann sich auf eine oberflächennahe Zone des Körpers oder den gesamten Körper beziehen. Möglich ist es dabei auch, dass die Thermoschockbehandlung in einem Bereich durchgeführt wird, in welchem eine maximale Belastung des Körpers im Einsatz gegeben ist. Insbesondere können auch Kanten eines Körpers der Thermoschockbehandlung unterworfen werden. Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen. In den Zeichnungen, auf weiche dabei Bezug genommen wird, zeigen:
Fig. 1 eine Vorrichtung zur Thermoschockbehandlung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Temperaturverlaufs bei einer
Thermoschockbehandlung mit einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 ;
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Inspektion von Körpern mit Risseindringfarbe.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung 2 dargestellt, die insbesondere zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens im kontinuierlichen Durchlauf ausgelegt ist. Die
Vorrichtung 2 umfasst einen Ofen 3, der als Durchlaufofen ausgebildet ist. Innerhalb des Ofens 3 ist ein Fördermittel 4, beispielsweise ein temperaturbeständiges Förderband, geführt. Auf dem Fördermittel 4 werden nacheinander mehrere keramische Körper 1 durch den Ofen 3 geführt. An den Ofen 3 schließt ein Behälter 5 an, in dem sich Wasser oder ein anderes Fluid als Abschreckmittel befindet. Die Körper 1 werden im Ofen 3 bei Durchlauf auf eine vorbestimmte erste Temperatur T1 gebracht, bis diese letztlich spätestens am Ende des Ofens 3 homogen eine erste Temperatur T1 aufweisen.
Anschließend werden die Körper 1 in das Abschreckmittel fallen gelassen, das eine vorbestimmte zweite Temperatur T2 aufweist, die niedriger als die erste Temperatur T1 ist. Dadurch wird eine Thermoschockbehandlung herbeigeführt. Um die Körper 1 auf einfache Weise unter fortlaufenden Betrieb aus dem Behälter 5 entnehmen zu können, ist in diesem ein Sieb 7 oder ein anderes Hilfsmittel angeordnet. Ist das Sieb 7 mit Körpern 1 gefüllt, werden diese mit dem Sieb 7 entnommen und in einen weiteren Behälter 6 getaucht, der eine Lösung mit einer fluoreszierenden Risseindringfarbe aufweist. Nach kurzem Eintauchen werden die Körper 1 aus diesem weiteren Behälter 6 entnommen und anschließend unter einer UV-Lichtquelle 8 optisch auf überkritisch lange Risse untersucht. Körper 1 , die eine zulässige maximale Rissgröße überschreiten, werden dabei ausgeschieden. In Fig. 2 ist stark schematisiert ein Temperaturverlauf der Thermoschockbehandlung dargestellt. In einer ersten Phase wird der oder die Körper 1 auf eine vorbestimmte Temperatur T1 erwärmt. Nachdem der oder die Körper 1 homogen die erste Temperatur T1 aufweisen, können diese in einem oder mit einem Medium wie ein Fluid oder Gas auf eine zweite Temperatur T2 abgeschreckt werden. Eine Temperaturdifferenz zwischen erster Temperatur T1 und zweiter Temperatur T2 ist dabei so ausgelegt, dass diese mit einer vorgegebenen Toleranz nach oben einer mechanischen Belastung eines Körpers 1 im Einsatz entspricht. Bei den Körpern 1 kann es sich um beliebige keramische Körper 1 handeln. Insbesondere bewährt sich das Verfahren jedoch bei keramischen Körpern 1 , die für einen Einsatz besonders hohe Güte an der Oberfläche aufweisen sollen, weil ein Materialversagen zu Komplikationen führen kann, die nur aufwendig zu beheben sind. Hierbei kann es sich beispielsweise um keramische Implantate wie künstliche Gelenke, Zahnprothesen oder Zahnbrücken handeln, die bei Versagen eventuell eine zusätzliche Operation des
Patienten erfordern. Andere Anwendungsbeispiele betreffen Wälzkörper für Wälzlager, die bei Materialversagen aufwendige Reparaturarbeiten bedingen. Darüber hinaus können auch andere Bauteile wie Ventile, Düsenkörper, Werkzeugteile oder keramische Leiterplatten, funktionelle Komponenten etc. geprüft werden. Manche der Komponenten können dabei auch metallische oder organische Materialien enthalten.
In Fig. 3 ist ebenfalls schematisiert dargestellt, wie sich die Risseindringfarbe nach der Thermoschockbehandlung auf Körpern 1 darstellt. Während ein linker Körper 1 nur kleine und damit akzeptable Risse aufweist, die während der Thermoschockbehandlung auch nicht merklich gewachsen sind, weist ein rechts dargestellter Körper 1 zwei größere Risse auf, die im Einsatz zu einem Materialversagen führen würden, weil die Risse nach der Thermoschockbehandlung bereits überkritisch lang sind. Daher wird der rechte Körper 1 ausgeschieden, wohingegen der linke Körper 1 einsatztauglich ist. Mit einem Verfahren wie vorstehend dargestellt können beispielsweise keramische Körper 1 aus Siliciumnitrid geprüft werden, ehe diese in Kugellagern verbaut werden. Hierfür werden die Körper 1 wie beschrieben einer Prüfung mittels Thermoschock unterzogen und anschließend mit Risseindringfarbe beaufschlagt, um überkritisch lange Risse zu detektieren und damit schadhafte bzw. nicht einsatztaugliche Körper 1 ausscheiden zu können. Bei einer kugelförmigen Geometrie der Körper 1 und einem Durchmesser von ca. 12,7 mm kann für eine gewünschte bzw. geforderte
Mindestfestigkeit von beispielsweise 700 MPa ein Toleranzbereich von 70 MPa vorgesehen werden, sodass die Belastung auf 770 MPa ausgelegt wird. Zur Berechnung der hierfür erforderlichen Temperaturdifferenz wird von den Materialeigenschaften wie Dichte und Wärmeleitfähigkeit ausgegangen und die Wärmeübertragungskoeffizienten berücksichtigt. Bei einfachen Geometrien wie Kugeln kann die minimale
Temperaturdifferenz dann gegebenenfalls analytisch berechnet werden. Beispielsweise ergibt sich so für die Kugeln aus Siliciumnitrid mit einem Durchmesser von 12,7 mm bei 700 MPa geforderter Belastung und bei Eintauchen in bewegtes Wasser eine
Temperaturdifferenz von 700 °C, sodass die erste Temperatur T1 bei Wasser als
Abschreckmittel und bei einer zweiten Temperatur T2 von 25 °C mit 725 °C berechnet wird. Bei komplexeren Geometrien ist eine nummerische Berechnung erforderlich, wobei sich bei einem vorausgesetzten temperaturunabhängigen Wärmeübergangskoeffizienten in Abhängigkeit vom Material als Faustregel ergibt, dass bei größeren Körpern 1 eine Temperaturdifferenz von 1 °C etwa 2 MPa bis 3 MPa entspricht. Je kleiner die Körper 1 aus Siliciumnitrid sind und je geringer die Abschreckintensität ist, desto geringer wird auch die pro Grad Temperaturdifferenz im Körper 1 erzeugte Zugspannung im kälteren
Probenteil. Im wärmeren Probenteil treten dagegen Druckspannungen in ähnlicher Höhe wie die Zugspannungen im kälteren Probenteil auf.
Es versteht sich, dass eine Prüfung auch auf andere Weise durchgeführt werden kann. Beispielsweise können Körper 1 bereichsweise oder vollständig mit einem Gasbrenner erwärmt und anschließend mit einem Luftjet abgekühlt werden. Auch kann sich eine Thermoschockbehandlung auf einzelne Bereiche eines Körpers 1 beschränken, der im Einsatz besonders hohen Belastungen unterliegt. Neben der Prüfung mittels eines Durchlaufofens mit anschließendem Quenchen in einem externen Aggregat ist auch eine Prüfung in einer kombinierten Erwärmungs- und
Abschreckanlage vorteilhaft. Ein Beispiel hierfür ist die Erwärmung in einem
Vakuumhärteaggregat, wobei bei der Erwärmung mit oder ohne Vakuum gearbeitet werden kann, mit nachfolgender Hochdruckgasabschreckung.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Prüfung eines Körpers (1) mit sprödem Materialverhalten, insbesondere eines keramischen Körpers (1), auf Einsatztauglichkeit, wobei der Körper (1) zumindest bereichsweise einer Thermoschockbehandlung durch Abkühlung oder Erwärmung von einer ersten Temperatur (T1) auf eine zweite Temperatur (T2) unterworfen und vorhandene Risse detektiert werden, wonach auf Grundlage der detektierten Risse über die Einsatztauglichkeit des Körpers (1) entschieden wird, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis einer geforderten Bruchfestigkeit des Körpers (1) im Einsatz eine minimale Temperaturdifferenz zwischen der ersten Temperatur (T1) und der zweiten Temperatur (T2) für die Thermoschockbehandlung ermittelt und der Körper (1) anschließend der Thermoschockbehandlung mit zumindest der minimalen
Temperaturdifferenz unterworfen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Temperaturdifferenz so gewählt wird, dass die Bruchfestigkeit des Körpers (1) im Einsatz mit einer Toleranz überschritten wird, insbesondere einer Toleranz von maximal 20 %.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (1) so lange auf die erste Temperatur (T1) erwärmt wird, bis dieser in erwärmten Bereichen homogen die erste Temperatur (T1) aufweist, und anschließend rasch abgekühlt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Risse optisch detektiert werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Risse mit einer Risseindringfarbe kenntlich gemacht werden.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Risse mit einer fluoreszierenden Risseindringfarbe versehen werden, worauf die Risse unter ultraviolettem Licht sichtbar gemacht werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (1) in einem Ofen (3) im Durchlauf auf die erste Temperatur (T1) erwärmt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (1) auf einem Fördermittel (4) durch den Ofen (3) transportiert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (1) mit dem Fördermittel (4) zu einem Abschreckmittel geführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschreckmittel ein Fluid ist.
1 1. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoschockbehandlung mit einer Erwärmung und einem anschließenden Quenchen in einer einzelnen Vorrichtung durchgeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Quenchen mittels eines Gases unter Hochdruck erfolgt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Thermoschockbehandlung ein inhomogenes Temperaturfeld am und/oder im Körper (1) eingestellt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoschockbehandlung in einem Bereich durchgeführt wird, in welchem eine maximale Belastung des Körpers (1) im Einsatz gegeben ist.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Kanten eines Körpers (1) der Thermoschockbehandlung unterworfen werden.
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