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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Zeit- und Material sparenden Überprüfen der Beschichtungsqualität insbesondere plasmagespritzter Schichten.
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In der DIN 8580 wird das Plasmaspritzen sowohl zu der Gruppe der Urform- als auch der Beschichtungsverfahren gezählt. Es umfasst nach EN 657 alle Verfahren, bei denen Spritzzusätze innerhalb oder außerhalb von Spitzgeräten an-, auf- oder abgeschmolzen werden. Diese Spritzzusätze sind zumeist Spitz- oder Sprühpulver, die sich beim Behandeln auf Werkstückoberflächen niederschlagen. Die Oberflächen selber werden dabei nicht aufgeschmolzen. Aus diesem Grunde lassen sich eine Vielzahl unterschiedlicher Materialien beschichten.
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Die so erzeugten Plasmabeschichtungen werden in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt. Diese reichen von rein dekorativen Anwendungen bis hin zu hoch beanspruchten Bauelementen; so werden Plasmabeschichtungen unter Anderem auch im Bereich der Gasturbinen eingesetzt. Hier dienen sie beispielsweise der Erhöhung der mechanischen und/oder thermischen Widerstandsfähigkeit besonders beanspruchter Teile wie z. B. Turbinenschaufeln und -gehäusen. Eine weitere Anwendung in diesem Bereich ist die Schaffung äußerst eng tolerierter Spalte, wie sie zur Erhöhung des Wirkungsgrades unverzichtbar sind. Hierzu werden die Schichten so aufgetragen, dass sie zunächst ein geringes Übermaß aufweisen, welches sich dann im Betrieb abschleift, so dass die sich bewegenden und die stehenden Teile nur noch geringstes Spiel besitzen. Bevorzugt werden hier als Sprühpulver Agglomerate aus mehreren Komponenten eingesetzt, besonders bevorzugt solche, die sich aus einer matrixbildenden Komponente, einem Trockenschmiermittel und einem Kunststoff zusammensetzen. Ein derartiges Sprühpulver ist z. B. aus der
EP 0487 273 B1 bekannt.
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Um die Qualität der Behandlung wie beispielsweise die Eigenschaft der Härte der Beschichtung zu ermitteln, werden bekannte, dem Stand der Technik entsprechende Verfahren angewandt. Insbesondere bei der Bestimmung von Beschichtungshärten an hochbeanspruchten Teilen ist es erforderlich, diese vor der endgültigen Parameterbestimmung auch Wärmebehandlungsschritten auszusetzen, sofern diese auf die Beschichtung folgen, da sich die Schichthärte während dieser nachfolgenden Behandlungsschritte verändert.
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Die große Anzahl möglicher, auf das Endergebnis Einfluss nehmende Parameter erschwert die Qualitätskontrolle sowohl des Fertigungsprozesses selber, als auch die Kontrolle seines Ergebnisses, der Beschichtung.
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Zur Qualitätskontrolle des Beschichtungsergebnisses werden nach dem Stand der Technik die bekannten Verfahren wie Härtemessung und Schichtdickenbestimmung eingesetzt. Insbesondere ist hier die Prüfung der Härte nach Rockwell HRC zu nennen. Zur Messung derselben wird für harte Materialien die Differenz der Eindringtiefe t
b eines Diamantkegels bestimmt, die sich zwischen dem Aufgeben einer Vor- und einer Hauptlast ergibt. Das C steht hierbei für engl. „cone”. Anschließend wird eine Umrechnung entsprechend der Formel
vorgenommen. Eine geringere Eindringtiefe entspricht demnach einem härteren Material, woraus sich ein größerer Wert für HRC ergibt.
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Insbesondere für dünne Bleche, Beschichtungen und dergleichen wird das leicht modifizierte Messverfahren nach HR15Y angewendet. Anstelle des Kegels benutzt man hier eine Kugel mit dem Durchmesser 12,7 mm sowie zur Belastung eine Masse von 15 kg. Die Härte bestimmt sich dann entsprechend der Formel
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Bei der Ergebniskontrolle des Beschichtungsprozesses und hier insbesondere der Schichthärtemessung ergeben sich dann Nachteile, wenn das beschichtete Bauteil im Anschluss an den Beschichtungsprozess noch weiteren, insbesondere Wärmebehandlungsschritten unterzogen werden muss. Da derartige Wärmebehandlungen im Allgemeinen mindestens einige Stunden, in bestimmten Fällen auch einige Tage dauern können, liegt erst am Ende dieses Zeitraum eine Aussage über die Qualität des Beschichtungsprozesses bzw. dem Beschichtungsergebnis vor. Sollte dieses nicht den spezifischen Erfordernissen genügen, ist eine oder sind mehrere Wiederholungen des gesamten Prozesses einschließlich der Wärmebehandlung notwendig, um zu den gewünschten Ergebnissen zu gelangen. Neben den erheblichen Zeitverlust resultieren hieraus auch hohe finanzielle Verluste, da für jede Iteration entsprechende Dummyteile vorgehalten, behandelt und geprüft werden müssen.
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Auch Prozessänderungen, die z. B. durch einen Pulverloswechsel oder eine Brennerwartung verursacht werden, können zu Qualitätsänderungen und dementsprechend der Notwendigkeit zu deren Überprüfung führen, wobei sich wiederum die genannten Nachteile ergeben. Zudem herrscht außerdem oftmals Produktionsstillstand, bis eine Freigabe des geänderten Prozesses erfolgen kann.
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Daher besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Bestimmung prozessänderungsbedingter Änderungen von Werkstoffkennwerten und insbesondere von Härtekennwerten nach beispielsweise einer Plasmaspritzbehandlung, unter Umgehung der im Stand der Technik genannten Nachteile, wozu insbesondere die Notwendigkeit eines Vorhaltens von Dummyteilen sowie die Notwendigkeit der Durchführung von eventuell an die Plasmaspritzbehandlung anschließenden Behandlungsschritten zählt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der Härtedifferenz HR2 – HR1 von einer mittels einem Beschichtungsverfahren aufgebrachten Schicht vor und nach einer Prozessänderung, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Härtedifferenz über eine Bestimmung der Dichte ρ1 vor und ρ2 nach der Prozessänderung mittels der Formel HR2 – HR1 = (ρ2 – ρ1) × Z ermittelt wird, wobei Z eine vom Material der aufgebrachten Schicht abhängige Konstante ist.
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Der Index „1” steht dabei für Werte, die vor der Prozessänderung aufgenommen werden, der Index „2” hingegen steht für Werte, welche nach der Prozessänderung aufgenommen werden. Die Konstante Z wird dabei im Vorfeld einmal für jedes aufzubringende Material durch Härtemessungen bestimmt und bleibt aber über verschiedene Prozessänderungen gleich.
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Das Verfahren basiert demnach auf der Erkenntnis, dass sich die Dichtedifferenz zweier Schichten, welche mit einem im wesentlichen gleichen Verfahren, jedoch bei gewisser Variation der Prozessparameter hergestellt wurden, proportional zur Härtedifferenz dieser Schichten verhält, wobei ein zu ermittelnder Proportionalitätsfaktor zu berücksichtigen ist.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht folgende Schritte vor:
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(a) Bereitstellung einer Probe
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Zur Durchführung des Verfahrens werden bevorzugt so genannte Knopfproben verwendet. Diese bestehen aus dem Zielmaterial, besitzen jedoch nicht die Zielform, sondern haben besonders bevorzugt eine einfache geometrische Form, die zu günstigen Kosten herstellbar ist.
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(b) Bestimmung des Gewichtes und der Maße der Probe
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Mittels geeigneter Messverfahren werden das Gewicht und die genauen Maße der Probe bestimmt. Diese Daten dienen der späteren Bestimmung des Volumens und der Masse der Beschichtung.
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(c) Beschichten der Probe durch einen Beschichtungsprozess
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Das Beschichten der Knopfprobe erfolgt mit dem gewählten Beschichtungsverfahren. Dies geschieht erfindungsgemäß bei einer ersten Probe bevor eine Änderung der Prozessparameter erfolgt, und bei einer zweiten Probe, nachdem eine Änderung der Prozessparameter erfolgt ist.
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(d) Herstellen einer definierten Geometrie auf der Probe
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Mittels einer geeigneten Vorrichtung und besonders bevorzugt mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine definierte Geometrie auf der Probe erzeugt. Als Verfahren zur Herstellung der definierte Geometrie kommen vor bevorzugt spanabhebende Verfahren, und besonders bevorzugt das Drehen in Frage.
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(e) erneute Bestimmung des Gewichtes und der Maße der Probe.
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Im Anschluss an einen bevorzugterweise vorangehenden Reinigungsschritt, bei welchem beispielsweise Spritzer an der Mantelfläche der Probe entfernt werden, werden anschließend wiederum das genaue Gewicht und die Maße der nun beschichteten Probe bestimmt.
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Wie in (c) bereits erwähnt, werden die Schritte (a) bis (e) zunächst mit dem ursprünglichen Prozess mit einer ersten Probe und anschließend mit dem veränderten Prozess mit einer zweiten Probe durchgeführt. Derartige Prozessänderungen können beispielsweise durch Wartungsarbeiten an der den Beschichtungsprozess durchführenden Anlage, durch Chargen- oder Pulverloswechsel, oder durch versuchsweise Prozessparameteränderungen herbeigeführt werden. Erfindungsgemäß kann das Herbeiführen der Prozessänderung zu jedem beliebigen Zeitpunkt nach der Beschichtung der ersten Probe, jedoch spätestens direkt vor dem Beschichten der zweiten Probe erfolgen.
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Am Ende beider Beschichtungsversuche liegen erfindungsgemäß zwei Proben sowie deren Geometrien und Gewichte vor, die sowohl vor als auch nach der Durchführung der jeweiligen Beschichtung aufgenommen wurden.
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Es schließen sich nun vorteilhafterweise folgende Schritte an:
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(f) Bestimmung der mittleren Dichte der Beschichtungen beider Proben
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Anhand des einfachen, bekannten Zusammenhangs von Volumen, Masse und Dichte eines Körpers ρ = m / V kann die Dichte der Beschichtung einer Probe bestimmt werden. Hierzu ist es notwendig, das Volumen und das Gewicht der Probe ohne die Beschichtung zu kennen, und dieses vom Gesamtvolumen und dem Gesamtgewicht der Probe nach der Beschichtung abzuziehen. Die hierzu notwendigen Werte wurden jeweils unter (b) und (e) erfasst. Es stehen dann zwei Dichtewerte ρ1 und ρ2 zur Verfügung, welche die Beschichtungsdichte vor bzw. nach der Prozessänderung angeben.
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(g) Bestimmung der zu erwartenden Härtedifferenz entsprechend Anspruch 1.
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In einem letzten Schritt kann nun gemäß der erfindungsgemäßen Formel die Härtedifferenz der Schichten vor und nach der Prozessänderung abgeschätzt werden. Ist diese Differenz Null, so kann davon ausgegangen werden, dass die Prozessänderung keinen Einfluss auf die Härte der Beschichtung gehabt hat. Andernfalls kann je nach Vorzeichen der Dichteänderung auf das Vorzeichen der Härteänderung geschlossen werden.
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Nach einer besonders bevorzugten Ausführung wird auch die Härte einer der Beschichtungen mittels entsprechender Messverfahren bestimmt. Durch Umstellen der erfindungsgemäßen Formel kann dann der jeweils fehlender Härtewert errechnet werden.
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Aufgrund der Kenntnis der Schichthärte nach Durchführen der Prozessänderung kann nun, falls gewünscht, eine iterative Anpassung der Prozessparameter erfolgen, die beispielsweise das Ziel haben kann, die Schichthärte vor der Prozessänderung oder eine höhere Härte zu erzielen.
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Das beschriebene Verfahren eignet sich insbesondere zur Abschätzung von prozessbedingten Härteänderungen unter Verwendung des Plasmaspritzens als Beschichtungsverfahren.
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In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung besitzen die zur Durchführung des erfindungsgemäß Verfahrens benutzten Proben eine flache, zylindrische Form, die beispielsweise mittels Drehen und unter Zuhilfenahme einer geeigneten Vorrichtung erzeugt und/oder nachbearbeitet werden kann.
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Besonders bevorzugt ist auch die Erzeugung solcher Schichten, die dicker sind, als die Schichten auf den später zu beschichtenden Teilen, da so Messfehler, insbesondere während der Dickenmessung, minimiert werden.
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Besonders bevorzugt wird die Härtemessung der Schicht nach Rockwell und insbesondere nach HR15Y bestimmt. Diese Art der Messung wird besonders bevorzugt für dünne Schichten größerer Härte angewendet.
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Insbesondere gilt dies für Schichten, welche durch Plasmaspritzen von einem pulverförmiges Agglomerat aus mit Bindemittel und CoNiCrAlY umgebenen hexagonalen Bornitidkernen und Polyester hergestellt werden. Ein derartiges pulverförmiges Agglomerat ist beispielsweise unter der Bezeichnung SM2042 bei der Firma Sulzer Metco erhältlich. Die für dieses Material durch zwei verschiedene Beschichtungsprozesse und danach durchgeführten Härte- und Dichtemessungen bestimmte Konstante Z beträgt bei der Angabe der Härte nach HR15Y 81.
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Zur Herstellung der definierten Geometrie wird bevorzugt eine Vorrichtung verwendet, welche zur Drehbearbeitung der erfindungsgemäßen Proben geeignet ist. Diese umfasst dementsprechend eine Schneide und eine Aufnahme für das Drehmaschinenspannfutter und ist besonders bevorzugt derart ausgebildet, dass sie einen vorbestimmten Schneidwinkel enthält, welcher der vereinfachten Herstellung einer stumpfkegligen Geometrie der erfindungsgemäßen Probe und weiter besonders bevorzugt einem zusätzlichen Plandrehen der Stirnfläche der Probe dient.
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In einer am meisten bevorzugten Ausführung der Erfindung beträgt der von der Vorrichtung bereitgestellte Winkel 30 Grad.
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Durch Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, kann sehr schnell eine Aussage über die Auswirkungen einer Prozessänderung getroffen werden, da zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens keine Härtemessung notwendig ist, die ihrerseits deswegen eine lange Zeit in Anspruch nehmen würde, weil eine Härtemessung erst nach Abschluss eventueller, zeitraubender Wärmebehandlungen möglich ist, wie sie häufig nach dem Beschichten angewandt werden. Weiterhin werden keine Teile aus der Fertigung in Form von Dummyteilen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens benötigt, da bereits einfache Knopfproben ausreichen, die lediglich einem kurzen mechanischen Nachbearbeitungsschritt unterzogen werden. Somit erreicht das erfindungsgemäße Verfahren sowohl eine signifikante Zeitersparnis als auch eine Kostenreduktion bei der Qualitätsüberwachung nach Prozessänderungen.
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Nachfolgend wird ein vorteilhaftes Verfahren und eine vorteilhafte Vorrichtung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben. Darin zeigen:
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1 ein schematisches Flussdiagramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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2 eine erfindungsgemäße Knopfprobe vor und nach der Bearbeitung mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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3A–C besonders bevorzugte Varianten der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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1 zeigt ein schematisches Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dieses besteht im Wesentlichen aus zwei sehr ähnlich aufgebauten Blöcken, von denen die Beschichtung im ersten Block mit dem ursprünglichen Prozess (als „Prozess 1” bezeichnet) und die im zweiten Block mit dem geänderten Prozess (als „Prozess 2” bezeichnet) durchgeführt wird. Als Ergebnis steht jeweils die Dichte der mittels des jeweiligen Prozesses auf der jeweiligen Probe 1 aufgebrachten Schicht 2, 3 in Form eines Zahlenwertes zur Verfügung.
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Anschließend wird aus den Dichtewerten die Härtedifferenz gemäß Anspruch 1 des erfindungsgemäßen Verfahrens berechnet.
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Nach einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann am Ende eines Blockes, der bevorzugterweise der dem ursprünglichen Prozess zugeordnete Block ist, eine Härtemessung der aufgebrachten Schicht erfolgen. Dadurch ist es möglich, im Anschluss an die Berechnung der Härtedifferenz auch die Bestimmung der jeweils fehlenden (nicht zuvor bestimmten) Härte durchzuführen.
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Es sei hinzugefügt, dass Variationen der im Schema dargestellten Reihenfolge insofern erlaubt sind, solange das Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens erreicht werden kann. Beispielsweise kann die Prozessänderung bereits direkt nach dem Beschichten der ersten Probe, oder erst nach Durchführung der Messungen an dieser Probe erfolgen, jedoch spätestens direkt vor dem Beschichten der zweiten Probe.
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2 zeigt einen Schnitt durch eine zylindrische Probe 1, eine so genannte Knopfprobe, wie sie bevorzugt für das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt wird, zusammen mit einer Beschichtung, welche in der linken Bildhälfte als unbearbeitete Beschichtung 2, in der rechten Bildhälfte als bearbeitete Beschichtung 3 dargestellt ist. Während erstere seitlich über die Mantelfläche 5 der Probe 1 herausragt und eine unebene Oberfläche besitzt, ist letztere eben, schließt bündig mit der Mantelfläche 5 der Probe 1 ab und bildet am Übergang einen vorbestimmten Winkel 4.
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In diesem Zusammenhang sei angemerkt, dass die Maße der Probe 1 und der Schicht 3 nicht als maßstäblich anzusehen sind. Insbesondere sind jedoch solche Schichten bevorzugt, welche eine möglichst hohe Dicke aufweisen, da so der Messfehler bei ihrer Dickenbestimmung verringert werden kann.
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Die Mantelfläche 5 der Probe 1 soll besonders bevorzugt nach Abschluss der Beschichtung, jedoch vor der Messung von unerwünschten Fremdkörpern wie zum Beispiel Spritzreste befreit werden, ohne jedoch die Oberfläche zu beschädigen. Hierzu können sowohl manuelle Verfahren wie beispielsweise Schmirgeln oder Schaben als auch automatisierte Verfahren wie beispielsweise Drehen Anwendung finden.
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Die 3A–C zeigen Varianten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 6 zum Herstellen einer definierten Probengeometrie mittels Drehbearbeitung, wie sie für das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt notwendig ist. Allen Varianten gemeinsam ist das Vorhandensein mindestens einer Schneidkante 7 mit einem Winkel α, die bei der Drehbearbeitung im Eingriff mit der Probe 1 ist und ihre Form auf die Probe 1 überträgt. Ebenso gemeinsames Merkmal ist das Vorhandensein eines geeigneten Einspannbereiches 8 zur Aufnahme der Vorrichtung 1 in das Spannfutter der Drehmaschine.
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Die 3A zeigt eine erste Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung 6, die dem Anbringen des Winkels 4 an die Probe 1 dient.
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3B zeigt eine erweiterte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 6, welche zwei Schneidkanten 7 besitzt, von denen die eine zur Erzeugung des Winkels α, die andere zum Plandrehen der Oberseite der Probe 1 genutzt wird, so dass sich in einem Arbeitsgang der Winkel 4 und die bearbeitete Beschichtung 3 ergeben.
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3C zeigt eine stärker erweiterte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 6, welche drei Schneidkanten 7 besitzt, von denen die erste zur Erzeugung des Winkels α, die zweite zum Plandrehen der Oberseite der Probe 1, und die dritte zum Säubern der Mantelfläche 5 genutzt wird, so dass sich in einem Arbeitsgang der Winkel 4, die bearbeitete Beschichtung 3, sowie eine saubere Mantelfläche 5 ergeben.
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Die hier dargestellten Varianten stellen nur eine Auswahl an weiteren Möglichkeiten der Schneidkantengestaltung dar, die gleichwirkende Ergebnisse in Bezug auf das nach Möglichkeit simultane Bearbeiten mehr als einer Außenkante der Probe 1 erzielen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Probe
- 2
- unbearbeitete Beschichtung
- 3
- bearbeitete Beschichtung
- 4
- Winkel
- 5
- Mantelfläche
- 6
- Vorrichtung
- 7
- Schneidkante
- 8
- Einspannbereich
- α
- Winkel
