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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Zugfestigkeit
einer Beschichtung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Zur
Prüfung
der Zugfestigkeit von Beschichtungen existieren momentan zwei Verfahren.
Beim so genannten Haftzugversuch wird ein Prüfkörper auf die Beschichtung eines
Bauteils geklebt und anschließend
eine Zugkraft in Richtung einer Flächennormalen beschichteten
Fläche
ausgeübt,
bis der Zusammenhalt von Beschichtung und Substrat zusammenbricht.
Während
mit diesem Verfahren die Haftfähigkeit
von Beschichtungen auf unterschiedlichen Substraten quantifiziert
werden kann, ist es jedoch nicht möglich, die Zugfestigkeit der
Beschichtung selbst ohne Beeinflussung durch das Substrat festzustellen.
Zu diesem Zweck wird üblicherweise
der so genannte Tubular-Coating-Tensile-Test
verwendet, bei welchem zwei zylindrische Prüfkörper so angeordnet werden,
dass ihre jeweiligen Basisflächen
in Kontakt stehen. Die Prüfkörper werden
in dieser Position fixiert und zumindest im Stoßbereich auf ihrer äußeren Mantelfläche mit
einer Beschichtung versehen. Nach dem Beschichten wird die Fixierung
gelöst und
eine Zugkraft entlang der Rotationssymmetrieachse der zylindrischen
Prüfkörper ausgeübt. Im Stoßbereich
zwischen den Basisflächen
werden die beiden Prüfkörper dabei
ausschließlich
durch die Beschichtung zusammengehalten. Die Zugkraft wird so lange
erhöht,
bis die Beschichtung im Stoßbereich versagt.
Hierdurch erhält
man ein Maß für die Zugfestigkeit
der Beschichtung selbst, welches nicht von den Eigenschaften des
Substrates beeinflusst wird. Im Gegensatz zur Haftzugprüfung wird
weiterhin die Zugfestigkeit innerhalb der Beschichtungsebene, also
senkrecht zur Flächennormalen
auf die beschichtete Oberfläche
bestimmt.
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Der
Tubular-Coating-Tensile-Test erlaubt allerdings nur die Prüfung der
Zugfestigkeit von Außenbeschichtungen.
Gerade im Kraftwagenbau gewinnen jedoch Innenbeschichtungen, insbesondere
für die
Zylinderlaufbahnen von Brennkraftmaschinen, zunehmend an Bedeutung.
Aufgrund der konkaven Krümmung
der derart beschichteten Oberflächen
ist der Tubular-Coating-Tensile-Test prinzipbedingt nicht geeignet,
um die Zugfestigkeit von solchen Zylinderlaufbahnbeschichtungen
zu prüfen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 so weiterzuentwickeln, dass
eine Prüfung
von Innenbeschichtungen mit zuverlässigeren Ergebnissen ermöglicht wird.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Bei
einem solchen Verfahren zur Bestimmung der Zugfestigkeit einer Beschichtung
werden zunächst
zwei zylindrische Prüfkörper so
angeordnet, dass korrespondierende Basisflächen der Prüfkörper aneinander anliegen, und
anschließend
mittels eines Halteelements in dieser Position fixiert. Im Stoßbereich
der Prüfkörper wird
anschließend
eine Mantelfläche
der Prüfkörper beschichtet,
woraufhin das Halteelement wieder gelöst wird. Durch Ausüben einer
Zugkraft in Richtung der Symmetrieachse der Prüfkörper bis zum Versagen der Beschichtung
wird die Zugfestigkeit der Beschichtung geprüft. Hierbei werden Einflüsse des
Substrats im Wesentlichen ausgeschlossen, da die Prüfkörper im
Stoßbereich ausschließlich durch
die Beschichtung zusammengehalten werden und das Versagen der Beschichtung
im Stoßbereich
daher lediglich auf den Eigenschaften der Beschichtung selbst beruht.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass hohlzylindrische Prüfkörper verwendet
werden, wobei die Beschichtung auf eine innere Mantelfläche der
Prüfkörper aufgebracht
wird. Die Prüfkörper sind
also nicht wie beim aus dem Stand der Technik bekannten Tubular-Coating-Tensile-Test
massiv, so dass der Test nicht auf Außenbeschichtungen beschränkt wird.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren
können
daher Innenbeschichtungen, wie sie beispielsweise im Kraftwagenbau
für die
Beschichtung von Zylinderlaufbahnen verwendet werden, zuverlässig getestet
werden, ohne dass die Krümmung
der beschichteten Oberfläche
von der im tatsächlichen
Einsatz der Beschichtung verwendeten Krümmung abweicht. Damit werden
zuverlässigere
Daten über
die Zugfestigkeit solcher Beschichtungen erhalten, wobei gleichzeitig
der Einfluss des Substrats ausgeschlossen wird.
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Als
Halteelement wird hierbei bevorzugt eine die Prüfkörper zumindest bereichsweise
außenumfänglich umgebende
Manschette verwendet. Dadurch wird ein passgenauer Sitz der Prüfkörper aneinander
sichergestellt, so dass keine Verfälschungen der Prüfergebnisse
beispielsweise durch radialen Versatz oder dergleichen der Prüfkörper gegeneinander
auftreten kann. Das Verfahren wird bevorzugt zum Prüfen von
Beschichtungen verwendet, welche in einem thermischen Spritzverfahren
aufgebracht werden. Thermische Spritzverfahren wie beispielsweise
das Lichtbogendrahtspritzen, Plasmaspritzen, PTWA (Plasma Transfer
Wire Arc), Hochgeschwindigkeitsflammspritzen oder dergleichen finden
gerade im Kraftwagenbau zur Beschichtung von Zylinderlaufbahnen
breite Anwendung und sind geeignet, um metallische oder metallkeramische
Beschichtungen aufzubringen.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung weisen die Prüfkörper einen
Anbindungsbereich zum Verbinden der Prüfkörper mit einem Zugstempel einer
Zugversuchseinrichtung auf. Bevorzugt werden die Prüfkörper dabei über ein
Adapterelement mit dem jeweiligen Zugstempel verbunden. Das Adapterelement
kann beispielsweise mit der Mantelwandung der Prüfkörper verschraubt werden, um
einen möglichst
gleichmäßigen Krafteintrag
durch die Zugversuchseinrichtung sicherzustellen. Insbesondere muss
vermieden werden, dass die Richtung der einwirkenden Zugkraft von
der Rotationssymmetrieachse der Prüfkörper abweicht, da dies eine
ungleichmäßige Beanspruchung
der Beschichtung im Stoßbereich
verursachen würde.
Durch ein geeignet gestaltetes Adapterelement kann ein solches Abweichen von
den Idealbedingungen zuverlässig
vermieden werden.
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Im
Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnungen
näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:
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1 eine
Explosionsdarstellung einer Vorrichtung zum Durchführen einer
Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 die
Vorrichtung aus 1 in zusammengesetztem Zustand,
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3 eine
Detailvergrößerung des
beschichteten Innenwandungsbereichs der Vorrichtung aus 1 und 2,
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4 eine
Explosionsdarstellung eines Prüfkörpers mit
einer zugehörigen
Bohrschablone zum Bohren des Prüfkörpers und
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5 eine
teilangeschnittene Darstellung von Prüfkörper und Bohrschablone in zusammengesetztem
Zustand.
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Zur
Prüfung
der Zugfestigkeit einer Beschichtung einer Richtung senkrecht zur
Flächennormalen
auf die beschichtete Oberfläche
findet eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Vorrichtung, wie
sie in 1 in Explosionsdarstellung gezeigt ist, Anwendung.
Die Vorrichtung umfasst zwei hohlzylindrische Prüfkörper 12, welche zunächst so
angeordnet werden, dass ihre jeweiligen Mantelflächen 14 aneinander
anliegen. Mittels einer Manschette 16 werden die Prüfkörper 12 in
dieser Position fixiert, woraufhin die Innenflächen 18 der Prüfkörper 12 mit
einer Beschichtung versehen werden. Hierzu wird insbesondere ein
thermisches Spritzverfahren verwendet. Dies ermöglicht die Prüfung der
Zugfestigkeit von Innenbeschichtungen, wie sie beispielsweise als
Zylinderlaufbahnbeschichtungen in Brennkraftmaschinen Anwendung
finden. Nach dem Beschichten wird die Manschette 16 entfernt.
Die Prüfkörper 12 werden
in diesem Zustand lediglich durch die auf der inneren Mantelfläche 18 aufgebrachte
Beschichtung zusammengehalten. Nun kann in Richtung der Rotationssymmetrieachse
der Prüfkörper 12 eine
Zugkraft auf die Beschichtung ausgeübt werden, und festgestellt werden,
bei welcher Zugkraft die Beschichtung versagt. Damit ist ein substratunabhängiges Prüfen der Zugfestigkeit
der Beschichtung in Richtung senkrecht zu einer Flächennormalen
auf die innere Mantelfläche 18 der
Prüfkörper 12 möglich. Um
die Prüfkörper 12 in
eine an sich bekannte Zugprüfmaschine
einzuspannen, sind Adapter 20 vorgesehen, welche zunächst mit
den Einspannelementen 30 verbunden werden und welche dann
in die Prüfkörper 12 eingeschoben
werden, bis die Bohrungen 22, 24 der Adapter 20 sich
mit den Bohrungen 26, 28 der Prüfkörper 12 überdecken.
Zum Fixieren der Adapter 20 an den Prüfkörpern 12 werden anschließend Bolzen
in die Bohrungen 26, 28 eingesteckt bzw. eingeschraubt. Über die
Einspannelemente 30, die mit den Adaptern 20 verbunden
sind, kann die gesamte Vorrichtung, die in 2 im fertig
zusammengesetzten Zustand gezeigt ist, schließlich in die Zugprüfmaschine
eingesetzt werden, und der Zugprüfung
unterworfen werden.
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Wie
in 3 nochmals in Vergrößerung gezeigt, werden die
Prüfkörper 12 im
Stoßbereich 32 lediglich
durch die auf der inneren Mantelfläche 18 der Prüfkörper aufgebrachte
Beschichtung 34 zusammengehalten. Der Prüfaufbau
zum Beschichten selbst ist nicht dargestellt.
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Die
Zentrierung bzw. Fixierung der Prüfkörper 12 erfolgt durch
die Manschette 16. Die 4 und 5 zeigen
eine Prüfkörperhälfte 12 Im
Zusammenwirken mit der Bohrschablone 36. Die Bohrschablone 36 weist
Bohrungen 38, 40 auf, welche zum Anbringen der
Bohrungen 22, 24 für den Zugversuch dienen (Kraftübertragung über die
Bohrungen 22, 24 und Zylinderstifte von der Zugmaschine
zum Prüfkörper 12).
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- 10
- Vorrichtung
- 12
- Prüfkörper
- 14
- Mantelflächen
- 16
- Manschette
- 18
- Innenfläche
- 20
- Adapter
- 22
- Bohrung
- 24
- Bohrung
- 26
- Bohrung
- 28
- Bohrung
- 30
- Einspannelement
- 32
- Stoßbereich
- 34
- Beschichtung
- 36
- Bohrschablone
- 38
- Bohrung
- 40
- Bohrung
- 42
- Endbereich
- 44
- Mantelwandung