DE3926676C2 - Verfahren zur Messung der Materialbeschaffenheit eines Körpers hinsichtlich Abrieb, Verschleißfestigkeit oder Härte sowie Anwendung des Verfahrens - Google Patents

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.

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.

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:

• 1. Mit Hilfe eines Referenzkörpers bekannter Festigkeit wird die zu prüfende Oberfläche unbekannter Härte in definierter Weise be­ lastet.
• 2. Anschließend oder während des Vorganges wird mit Hilfe von mehr oder weniger ge­ nauen Längenmeßeinrichtungen eine Vermes­ sung der geometrischen Oberflächenverände­ rung vorgenommen, die infolge der Bela­ stung eingetreten ist.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren des Anspruches 1 oder 3 gelöst.

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.

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.

Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Er­ findung dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Gerät zur Durchführung des Verfahrens;

Fig. 2 ermittelte Meßkurven (Eindringkurven), aus denen die Eigenschaften des Materi­ als ermittelbar sind.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

Beispiele für Anwendungen und Modifikationen des Ver­ fahrens:
Das Verfahren ist geeignet, beispielsweise die Festig­ keit einer Probe gegenüber reibender, kratzender Belastung zu beurteilen.

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.

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.

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.

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.

Claims (7)

1. Verfahren zur Prüfung der Materialbeschaffenheit eines Körpers hinsichtlich Abrieb, Verschleißfestigkeit oder Härte, bei dem ein Referenzkörper auf einer Kreisbahn oder einer linearen Bahn wiederholt mit einem zu prüfenden Körper in schleifenden oder ritzenden und/oder eindringen­ den Kontakt unter Krafteinwirkung gebracht wird, bei dem die wirkende Kraft als Funktion der Position des Referenz­ körpers bei jedem Kontakt gemessen wird und bei dem aus den Veränderungen im gemessenen Verlauf der Kraft auf die Mate­ rialbeschaffenheit und/oder die Oberflächenbeschaffenheit geschlossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zu prüfende Körper mit einer definierten Kraft-Weg- Relation ausweichbar gehalten ist, und daß die Eindring­ tiefe des Referenzkörpers in den zu prüfenden Körper wäh­ rend der Belastung durch die wirkende Kraft gemessen und zusätzlich zur Beurteilung der Materialbeschaffenheit herangezogen wird.

3. Verfahren zur Prüfung der Materialbeschaffenheit eines Körpers hinsichtlich Abrieb, Verschleißfestigkeit oder Härte, bei dem der zu prüfende Körper auf einer Kreisbahn oder einer linearen Bahn wiederholt mit einem Referenzkörper in schleifenden oder ritzenden und/oder eindringenden Kontakt unter Krafteinwirkung gebracht wird, bei dem die wirkende Kraft als Funktion der Position des zu prüfenden Körpers bei jedem Kontakt gemessen wird und bei dem aus den Veränderungen im gemessenen Verlauf der Kraft auf die Materialbeschaffenheit und/oder die Oberflächen­ beschaffenheit geschlossen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die parallel und/oder senkrecht zur Oberflä­ che des zu prüfenden Körpers oder des Referenzkörpers lie­ gende Kraftkomponente gemessen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Referenzkörper eine Diamantspitze verwendet wird.

6. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 3 zur Bestimmung der Härte und/oder Abriebfestigkeit von harten Körpern mit unregelmäßig geformter Oberfläche.

7. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 3 zur Bestimmung der Härte und Abriebfestigkeit von aus Keramik bestehenden Körpern.