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VERFAHREN ZUR PRÜFUNG DER HAFTFÄHIGKEIT VON SCHICHTEN AUF DEM GRUND-
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WERKSTOFF UND ANORDNUNG ZU SEINER DURCHFÜHRUNG Die Erfindung betrifft
ein Verfahren sowie eine Anordnung zu seiner Durchführung zur Bestimmung der Haftfähigkeit
von Schichten auf einem Grundwerkstoff.
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Die Qualität von Schichten, vor allem galvanisch aufgebrachter Schichten,
wird durch eine Reihe von Eigenschaften bestimmt, wie Dicke, Dichte, Elastizität,
Härte und Haftfähigkeit auf dem Grundwerkstoff. Mangelnde Haftfähigkeit einer Schicht
auf dem Grundwerkstoff kann zu mancherlei Störungen und Beeinträchtigungen in der
Praxis Anlass geben. Schlechthaftende Schichten können beispielsweise die Aufgabe
des Korrosionsschutzes nur sehr mangelhaft erfüllen, da im Laufe der Zeit eine Unterwanderung
der Schicht an der Fehlstelle mit Fremdstoffen eintreten wird, die zunächst ein
Abplatzen der Schicht und später eine Korrosion des Grundwerkstoffes bewirken. Schlechthaftende
Schichten, welche zur Verbesserung der Gleiteigenschaften von Oberflächen aufgebracht
werden, können bewirken, dass bestimmte Teile der Schicht ganz vom Untergrund abgerissen
werden und damit zu grossen Störungen, wenn nicht zur Beschädigung und Zerstörung
von Maschinenteilen Anlass geben. Schichten, welche zu dekorativen Zwecken aufgebracht
werden, können diese Aufgabe natürlich nur dann erfüllen, wenn sie mit dem Grundwerkstoff
auf Dauer gut haftend verbunden sind, da andernfalls mit der Zeit Blasenbildung
und Ablösung der Schicht, und damit eine Beeinträchtigung des dekorativen Zweckes
eintritt. Diese wenigen Beispiele zeigen, dass einem Verfahren zur Messung der Haftfähigkeit
von Schichten eine grosse wirtschaftliche Bedeutung zukommt.
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Bis jetzt ist eine Reihe von Mess- und Prüfverfahren für die Haftfähigkeit
von Schichten bekannt. Diese bekannten Verfahren lassen sich alle darauf zurückführen,
dass die Schicht einer bestimmten, senkrecht zur Oberfläche und von dieser weggerichteten
Kraft ausgesetzt wird, und dass die zum Ablösen der Schicht
erforderliche
Kraft als Mass für die Haftfähigkeit der Schicht herangezogen wird. Die Kraft kann
dabei direkt auf dem Weg des Zuges, auf dem Umweg über eine Biegung oder Verdrehung
des Werkstoffes oder mittels einer vom Grundwerkstoff her auf die Schicht wirkenden
Druckkraft aufgebracht werden. Weiterhin sind Verfahren bekannt, bei denen die Schichten
einer Scherkraft ausgesetzt werden, die bekannten Schäl-, Meißel- und Reibversuche
gehören hierzu. Schichten wurden auch bereits einer zeitlich periodisch wechselnden
Kraft ausgesetzt, wobei die zum Ablösen der Schicht notwendige Kraftamplitude als
Mass für die Haftfähigkeit gemessen wurde. Allen diesen bisher bekannten Verfahren
ist jedoch gemeinsam, dass sie nicht zerstörungsfrei arbeiten, d.h. das zu prüfende
Werkstück wird auf jeden Fall bei Anwendung der genannten Prüfverfahren zerstört.
Da Werkstücke meist einen erheblichen Wert darstellen, ist eine Zerstörung bei der
Durchführung von Prüfverfahren nicht tragbar, vor allem deswegen nicht, da gerade
bei der Bestimmung der Haftfähigkeit die an einzelnen Werkstücken gewonnene Aussage
nicht zwingend repräsentativ für die Haftfähigkeit der Schichten an der gesamten
Serie ist. Als einziges zerstörungsfreies Verfahren ist bisher ein thermisches Verfahren
bekannt geworden, bei dem die von der Haftfähigkeit der Schicht abhängige Wärmeleitung
zwischen Schicht und Grundwerkstoff ausgenützt wird. Wird eine derartige Schicht
homogen erwärmt und vorher oder anschliessend mit Flüssigkristallen besprüht, deren
Farbe eine Funktion der Oberflächentemperatur ist, dann nehmen die Stellen, unter
denen die Schicht schlecht haftet, eine höhere Temperatur und damit eine andere
Färbung an, als die Stellen, unter denen eine guthaftende Schicht liegt. Es kommt
jedoch in der Praxis häufig vor, dass trotz schlechter Haftfähigkeit der Schicht
eine gute Wärmeverbindung zwischen Schicht und Grundwerkstoff besteht, so dass derartige
Fehlstellen mit dem Wärmeleitungsverfahren unter Verwendung von Flüssigkristallen
nicht festgestellt werden können.
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Die Erfindung vermeidet die Nachteile der bekannten Anordnungen.
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Die Erfindung geht dabei von dem Gedanken aus, dass der elektrische
Übergangswiderstand zwischen Schicht und Grundwerkstoff mit der Haftfähigkeit der
Schicht verknüpft ist. Mangelnde Haftfähigkeit von Schichten ist nämlich stets dadurch
bedingt, dass die Schicht mit dem Grundwerkstoff mangelhaft verzahnt ist, wobei
die
Ursache für diese mangelhafte Verzahnung in den allermeisten Fällen durch Reste
von Fremdstoffen gegeben ist, die vor dem Aufbringen der Schicht nicht vollständig
entfernt worden sind. Dementsprechend wird die Aufgabe der Prüfung von Schichten
hinsichtlich der Haftfähigkeit auf dem Grundwerkstoff dadurch gelöst, dass man elektrische
Ströme zwischen Grundwerkstoff und Schicht fliessen lässt und den Widerstand misst,
welchen der übergangsbereich diesen Strömen entgegensetzt. Dabei kann entweder mit
konstantem Strom gearbeitet werden und die sich einstellende Spannung als Mass für
den Übergangswiderstand dienen, oder es kann mit konstanter Spannung gearbeitet
werden und der sich einstellende Strom als Mass für den übergangswiderstand gemessen
werden. Da der Grundwerkstoff in vielen praktischen Anwendungsfällen nicht direkt
zugänglich ist, beispielsweise dann, wenn ein Werkstück allseitig von Schicht umgeben
ist, erzeugt man die Ströme, welche den Übergangsbereich zwischen Grundwerkstoff
und Schicht durchqueren sollen, auf induktivem Wege, man erzeugt also Wirbelströme.
Fig. 1 verdeutlicht das Verfahren. Der Übergangsbereich 3 trennt den Grundwerkstoff
1 von der Schicht 2. An der Stelle 4 soll die dicker gezeichnete Trennlinie eine
Stelle schlechter Schichthaftfähigkeit darstellen. Dort fliessende Ströme 5 finden
in diesem übergangsbereich einen höheren Übergangswiderstand vor, als an anderen
Stellen mit guter Haftfähigkeit der Schicht.
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Die Erzeugung von Wirbelströmen 5 durch Induktion ist in Fig. 2 dargestellt.
Parallel zur Oberfläche der Schicht ist ein magnetisch gutleitender Werkstoff 8
angeordnet, der ebenso, wie der Grundwerkstoff 1 und die Schicht 2, im Schnitt dargestellt
ist.
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Verlaufen in diesem magnetisch gutleitenden Werkstoff 8 sich zeitlich
periodisch ändernde magnetische Feldlinien 9, dann ist der magnetische Leiter 8
von ebenfalls zeitlich periodisch wechselnden elektrischen Feldlinien umgeben, welche
ihrerseits die Ursache für Wirbelströme 5 im Grundwerkstoff und in der Schicht darstellen.
In Fig. 2 ist zunächst offengelassen, wie sich die im Übergangsbereich 3 verlaufenden
Wirbelströme 5 zu geschlossenen Strömen schliessen. Eine dieser Möglichkeiten hierzu
Fig. 3 Ist der magnetische Leiter 8 ausser der Erregerwicklung 10, durch
welche
der Erregerstrom 11 fliesst, nicht von einem weiteren, elektrisch leitenden Werkstoff
umgeben, so bilden sich im übergangsbereich zwischen Grundwerkstoff 1 und Schicht
2 Wirbelströme 6 aus, die sich in der zu prüfenden Werkstoffkombination 1, 2 selbst
schliessen. Die Wirbelströme 6 haben dabei neben einer senkrecht zum Übergangsbereich
3 verlaufenden Komponente eine relativ grosse Komponente in Richtung des Ubergangsbereiches
3, so dass zur Erzielung des Messeffektes nur eine Komponente der Wirbelstromstärke
ausgenutzt werden kann. Wird dagegen, so wie es in Fig. 4 dargestellt ist, der magnetische
Leiter 8 von einer Anordnung 12 aus elektrisch gutleitendem Werkstoff umgeben, der
über die Kontaktierung 13 auf der Schicht 2 aufliegt, so bilden sich Wirbelströme
7 aus, welche ebenfalls im Grundwerkstoff 1 und in der Schicht 2 verlaufen, sich
jedoch über die Kontaktierung 13 in der elektrisch leitenden Anordnung 12 fortsetzen
und sich so, wie in Fig. 4 angegeben, zu ringförmigen Strömen schliessen.
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In diesem Fall wird der Übergangsbereich 3 zwischen Grundwerkstoff
1 und Schicht 2 von den Strömen im wesentlichen senkrecht durchflossen, so dass
nahezu die grösstmögliche Komponente der Wirbelströme an der Erzeugung des Messeffektes
beteiligt ist.
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Bei einer Anordnung, wie sie in Fig. 3 oder Fig. 4 dargestellt ist,
können sich bei guter Haftfähigkeit der Schicht 2 auf dem Grundwerkstoff 1 die Wirbelströme
ungehindert ausbilden, so dass die Wechselstromimpedanz der Erregerwicklung 10 niedrig
ist. Liegt dagegen im Bereich des Wirbelstromfeldes eine Stelle mit schlechter Haftfähigkeit
der Schicht, so kann sich zumindest ein Teil der Wirbelströme 6 nur gegen den höheren
elektrischen Widerstand des Übergangsbereiches 3 zwischen Grundwerkstoff 1 und Schicht
2 ausbilden, so dass die Impedanz der Erregerwicklung 10 entsprechend höher ist.
Diese Abhängigkeit der Impedanz der Erregerwicklung 10 kann zur Feststellung der
Haftfähigkeit der Schicht 2 auf dem Grundwerkstoff 1 herangezogen werden.
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Die Nachweisempfindlichkeit für kleine Fehlstellen wird beträchtlich
erhöht, wenn man die Schicht 2 einer periodisch wechselnden Kraft aussetzt. Wirkt
eine solche periodisch wechselnde, senkrecht zur Oberfläche und damit senkrecht
zum Übergangsbereich 3 wirkende Kraft auf einen Bereich mit guter Haftfähigkeit
der Schicht 1, so ändert sich wegen der dann guten Verzahnung von Schicht 2 und
Grundwerkstoff
1 der Ubergangswiderstand zwischen Schicht und Grundwerkstoff nicht oder nur wenig.
Liegt dagegen im Bereich der Krafteinwirkung und des Wirbelstromfeldes eine Stelle
mit schlechter Haftfähigkeit der Schicht, so kann der Ubergangswiderstand zwischen
Grundwerkstoff 1 und Schicht 2 durch die periodisch wechselnde Kraft im selben Rhythmus
periodisch geändert werden. Die Wirbelströme schwanken dementsprechend im Rhythmus
der einwirkenden Kraft und im gleichen Rhythmus ändert sich auch periodisch die
Impedanz der Erregerspule 10. Von Vorteil ist es, wenn man die periodisch wechselnde
Kraft mit elektrischen Mitteln über einen elektrisch-mechanischen Energiewandler
erzeugt und dafür sorgt, dass die elektromagnetischen Felder des Wandlers elektrisch
gut entkoppelt von der Erregerspule 11 sind. In Fig. 5 ist 14 ein prismatischer
Stab, dessen eine Endfläche auf die Schicht aufgesetzt wird und auf dessen anderer
Endfläche ein elektrisch-mechanischer Energiewandler 15 aufgebracht ist. Dieser
elektrisch-mechanische Energiewandler 15 kann entweder ein piezoelektrischer oder
piezomagnetischer Wandler sein. In Fig. 5 ist 15 ein piezoelektrischer Wandler,
der durch die Wechselspannung 16 erregt wird und der über den prismatischen Stab
14 eine periodische Kraft auf die Schicht 2 und damit auf den Übergangsbereich 3
zwischen Schicht 2 und Grundwerkstoff 1 überträgt. Bei schlechter Haftfähigkeit
der Schicht auf dem Grundwerkstoff schwankt dann die Impedanz der Erregerspule 10
im Rhythmus der Spannung 16, während bei guthaftender Schicht eine solche Schwankung
nicht oder nur in geringem Masse vorhanden ist.
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Die Vorteile, die mit einem derartigen Verfahren und der entsprechenden
Anordnung gegenüber dem Bekannten erzielt werden können, sind folgende: Die Prüfung
der Schicht auf Haftfähigkeit mit dem Grundwerkstoff kann zerstörungsfrei erfolgen.
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Das geprüfte Teil ist nach der Prüfung ohne Einschränkung voll verwendbar.
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Die Prüfung kann an mehreren Stellen des Prüfgegenstandes durchgeführt
werden, so dass sich eine Aussage über die Verteilung der Haftfähigkeit über die
Werkstückoberfläche erzielen lässt.
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Die Prüfung erfordert nur eineñ geringen Zeitaufwand.
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Die Vorrichtung zur Durchführung des Prüfverfahrens lässt sich so
klein gestalten, dass lokal engbegrenzte Fehlstellen der Haftfähigkeit aufgefunden
werden können. Daraus lassen sich oft Rückschlüsse auf Mängel in der Konstruktion
oder Bearbeitung von Werkstücken gewinnen.
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Die Arbeit mit einem derartigen Prüfverfahren erfordert keine aufwendige
Schulung des Bedienungspersonals.
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Die Prüfung kann so erfolgen, dass die Prüfeinrichtung an das Werkstück
herangeführt wird, ein oft aufwendiger oder nicht möglicher Transport der Werkstücke
unter stationäre Messeinrichtungen ist damit nicht erforderlich.
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Die Prüfung von Werkstücken lässt sich automatisieren.
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Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel. 1 ist der Grundwerkstoff, 2
die Schicht, 3 der Übergangsbereich zwischen Schicht und Grundwerkstoff. Der Prüfkopf
besteht aus dem magnetisch gutleitenden Werkstoff 8, welcher ringförmig ausgebildet
ist. Durch die Erregerwicklung 10 fliesst der erregende Wechselstrom 11, welcher
im magnetisch leitenden Werkstoff 8 ein periodisch wechselndes magnetisches Feld
erzeugt. Um den magnetisch leitenden Werkstoff 8 ist der elektrisch leitende Werkstoff
12 herumgelegt, der über die Kontaktierung 13 auf der gesamten Unterfläche mit der
Schicht 2 in Kontakt gebracht wird. Im Zentrum der elektrisch leitenden Anordnung
12 liegt der prismatische Stab 14, welcher beispielsweise aus Acrylglas gefertigt
ist. Die eine Stirnfläche dieses Stabes steht in Berührung mit der Schicht 2, auf
die andere Stirnfläche ist der piezoelektrische Wandler 15 aufgebracht, welcher
über die angelegte Wechselspannung 16 erregt wird. Es ist von Vorteil, wenn die
Frequenz der Wechselspannung 16 niedriger als die Frequenz des Wechselstromes 11
ist. Die gesamte Anordnung kann in einer gemeinsamen Halterung untergebracht werden,
welche sicherstellt, dass der magnetische Leiter 8, die Leiteranordnung 12, der
prismatische Stab 14 und der elektro-mechanische Energiewandler 15 untereinander
starr angeordnet sind. Mit dieser Halterung kann dann auf dem Wege der Einhandbedienung
die Prüfeinrichtung an die Schicht
herangebracht werden. Am Eingang
der Erregerspule 10 entsteht bei schlechthaftender Schicht eine im Rhythmus der
Wechselspannung 16 amplituden modulierte Spannung, die weiterverarbeitet und als
Mass für die Haftfähigkeit der Schicht zur Anzeige gebracht werden kann. Die Art
der Weiterverarbeitung amplitudea ylodulierter Spannungen ist aus der Hochfrequenztechnik
bekannt und braucht hier nicht erläutert zu werden.