DE102013013161A1 - Verfahren zur Prüfung einer Haft- und Schichtfestigkeit einer auf ein Metallsubstrat aufgebrachten Oberflächenschicht - Google Patents

Verfahren zur Prüfung einer Haft- und Schichtfestigkeit einer auf ein Metallsubstrat aufgebrachten Oberflächenschicht Download PDF

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Stefan Pissors
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Jürgen Pfänder
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Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Prüfung einer Haft- und Schichtfestigkeit einer auf ein Metallsubstrat (2) aufgebrachten Oberflächenschicht (1) bereit, wobei ein Prüfkörper (3) an der Oberflächenschicht (1) befestigt wird und eine Zugkraft (F) auf den Prüfkörper (3) ausgeübt und erhöht wird, bis die Oberflächenschicht (1) von dem Metallsubstrat (2) abgelöst wird. Die Zugkraft (F), bei der die Oberflächenschicht (1) abgelöst wird, wird gemessen und ausgewertet. Erfindungsgemäß erfolgt die Befestigung des Prüfkörpers (3) an der Oberflächenschicht (1) stoffschlüssig flächig durch ein thermisches Fügeverfahren.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung einer Haft- und Schichtfestigkeit einer auf ein Metallsubstrat aufgebrachten Oberflächenschicht.
  • Gegenwärtig werden zunehmend Verbrennungsmotoren mit Zylinderkurbelgehäusen aus Aluminium eingesetzt, bei denen die Zylinderlaufflächen mit einer aufgespritzten Legierung versehen sind, die in der Regel auf Stahl mit unterschiedlichen Legierungselementen wie C, Mn, Mo, Si, Cr, Ni, Ti, etc. basiert. Eingesetzte Spritzverfahren sind vor allem das Lichtbogendrahtspritzen (LDS) oder das Plasmadrahtspritzen (PDS) sowie das Pulveraufspritzen. Für eine gute Haftverbindung zwischen Stahl-Spritzschicht und Aluminiumsubstrat wird die Lauffläche vor dem Aufspritzen aufgeraut.
  • Das historisch zum Aufrauen eingesetzte Sand- oder Korundstrahlen wird aus Restschmutzgründen und wegen hoher Reinigungskosten hier immer weniger angewendet. Heute werden vor allem das Hochdruck-Wasserstrahlen und mechanische Aufrauverfahren wie Honen angewendet. Da die Anforderungen an die aufgespritzten Zylinderlaufflächen mit der Leistungssteigerung der Motoren immer weiter gestiegen sind, können Änderungen der Prozesskette fatale Folgen für die Qualität der Motoren bedeuten.
  • Ein Hauptqualitätsindikator für die aufgespritzte Zylinderlaufschicht ist eine hohe Haftung auf dem Aluminiumsubstrat. Sollte sich im laufenden Betrieb wegen mangelnder Haftung die Schicht auch nur partiell ablösen, ist damit immer ein kapitaler Motorschaden verbunden. Aber nicht nur die Haftung am Substrat, auch der Zusammenhalt innerhalb der aufgespritzten Schicht spielt eine große Rolle.
  • Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Prüfverfahren bekannt, um die Haftfestigkeit einer auf ein Substrat aufgespritzten Schicht sowie die Schichtfestigkeit selbst zu überprüfen. Beim Prüfstempelabzugstest wird ein Stempel mit einem Epoxidkleber auf die Lauffläche der zu überprüfenden Spritzschicht aufgeklebt. Diese Kleber (1K-Systeme) haben unter Laborbedingungen eine Stirnabzugfestigkeit zwischen 50 und 100 N/mm2 und müssen in der Regel im Ofen ausgehärtet werden. Danach wird der Prüfstempel mit einer Prüfhydraulik abgezogen und durch Umrechnung kann die Abzugsflächenkraft durch einen entsprechenden Umrechnungsfaktor in N/mm2 oder MPa berechnet werden. Allerdings dauert der gesamte Prüfprozess inklusive Bauteilreinigung, Klebervorbereitung etc. bis zum Ergebniserhalt lange, meist in etwa acht Stunden. Zudem können die genannten hohen Stirnabzugsfestigkeiten der Kleber unter realen Produktionsbedingungen nicht oder mit nur sehr großem Aufwand erreicht werden, da oft der Kleber versagt, bevor die Spritzschicht abgezogen werden kann. Zudem ist eine Schichtprüfung mit diesem Prüfverfahren nicht möglich. Nachteilig kann das Aluminiumsubstrat durch die beim Ausdampfen im Ofen (zur Bauteilreinigung) und beim Aushärten des 1K-Epoxidklebers im Ofen vorliegenden Temperaturen, die viele Aluminiumlegierungen nicht mehr vertragen, geschädigt werden.
  • In DE 10 2011 120 559 A1 wird eine Vorrichtung offenbart, mit der ein Prüfkörper auf eine Zylinderlaufbahnbeschichtung eines Zylinderkurbelgehäuses eines Verbrennungsmotors geklebt werden kann. Diese Vorrichtung umfasst ein Gehäuse, das in eine Zylinderbohrung, in der der Prüfkörper angeordnet werden soll, eingeführt werden kann, wobei an der Oberseite des Gehäuses eine Halteplatte angeordnet ist, die nach einem Einführen des Gehäuses in die Zylinderbohrung auf eine Oberseite des Zylinderkurbelgehäuses aufgesetzt und an diesem befestigt werden kann. Eine radial aus dem Gehäuse in Richtung der Zylinderlaufbahnbeschichtung bewegbare Prüfkörperhalterung presst den Prüfkörper auf die Zylinderlaufbahnbeschichtung.
  • Ein zum Prüfstempelabzugstest alternatives Verfahren zur Prüfung der Haft- und Schichtfestigkeit einer auf ein Metallsubstrat aufgebrachten Oberflächenschicht wird in DE 10 2010 043 399 A1 beschrieben. Dabei wird in das Substrat auf der von der Oberflächenschicht abgewandten Seite eine Ausnehmung eingebracht, die sich bis fast zur Oberflächenschicht erstreckt, so dass die Ausnehmung durch eine verbliebene „Restwandstärke” des Substrats von der Oberflächenschicht getrennt bleibt. In die Ausnehmung wird ein Prüfkörper eingeführt, auf den eine Druckkraft aufgebracht wird, die so bemessen ist bzw. allmählich soweit gesteigert wird, bis die „Restwandstärke” des Substrats durchbrochen und die Oberflächenschicht abgelöst werden. Zur Schaffung der Ausnehmung sind allerdings eine sehr präzise mechanische Bearbeitung und eine genaue Werkstück-Aufnahme erforderlich. Zudem ist das Verfahren nur begrenzt einsetzbar; der Bereich zwischen den Zylinderstegen sowie der Bereich in der Nähe des Randes von Zylinderfuß und Deckfläche zum Zylinderkopf hin können praktisch nicht geprüft werden.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Prüfung der Haft- und Schichtfestigkeit einer auf ein Metallsubstrat aufgebrachten Oberflächenschicht bereitzustellen, das ein breites Einsatzgebiet überdeckt und mit minimiertem Zeit- und Bearbeitungsaufwand durchgeführt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Haft- und Schichtfestigkeit einer auf ein Metallsubstrat vorzugsweise durch thermisches Spritzen aufgebrachten Oberflächenschicht geprüft werden, indem ein Prüfkörper an der Oberflächenschicht befestigt wird und eine Zugkraft auf den Prüfkörper ausgeübt und erhöht wird, bis die Oberflächenschicht von dem Metallsubstrat abgelöst wird, wobei die Zugkraft, bei der die Oberflächenschicht abgelöst wird, gemessen und ausgewertet wird. Bei dem Metallsubstrat kann es sich um ein beliebiges Bauteil aus Metall, beispielsweise auch ein Blech oder ein Gussbauteil handeln, das vorzugsweise aus einer Leichtmetalllegierung hergestellt ist. Insbesondere kann es sich bei dem Metallsubstrat um ein Kurbelgehäuse eines Verbrennungsmotors handeln, das aus einer Aluminiumlegierung gefertigt ist. Die Oberflächenschicht ist ebenfalls aus einem metallhaltigen Werkstoff, vorzugsweise aus einem eisenhaltigen bzw. Stahlwerkstoff. Im Falle eines Kurbelgehäuses als Substratbauteil liegt die Oberflächenschicht auf den Innenseiten der Zylinder des Kurbelgehäuses als Laufflächenbeschichtung vor.
  • Um einen Prüfkörperabzugstest schnell und mit exakten Ergebnissen durchführen zu können, erfolgt erfindungsgemäß die Befestigung des Prüfkörpers, der ebenfalls aus einem metallischen Werkstoff, wie beispielsweise Stahl, beschaffen ist, an der Oberflächenschicht stoffschlüssig flächig durch ein thermisches Fügeverfahren.
  • Um die Erwärmung des Metallsubstrats zu begrenzen, wird zum thermischen Fügen Kurzzeit-Widerstandsschweißen oder Kurzzeit-Widerstandslöten eingesetzt, wobei beim Löten zwischen dem Prüfkörper und der Oberflächenschicht ein Lot, beispielsweise in Form eines Lötblechs oder eine Lötfolie aus Hart- oder Weichlot, eingelegt wird. Gegebenenfalls können die Kontaktflächen der Oberflächenschicht, des Prüfkörpers und/oder des Lots vor dem Löten mit einem Flussmittel bzw. einem reduzierenden Medium wie Lötwasser behandelt und aktiviert werden.
  • Die Schweiß-/Lötparameter werden in Abhängigkeit der Abmessungen der Kontaktfläche des Prüfkörpers, der Materialien von Oberflächenschicht, Prüfkörper, gegebenenfalls Lot und der Dicke der Oberflächenschicht so gewählt, dass keine thermischen Gefügeänderungen des Metallsubstrats auftreten.
  • So wird das Kurzzeit-Widerstandsschweißen/Widerstandslöten bevorzugt mit einer Stromflussdauer über einen Zeitraum von 0,05 ms bis 30 ms, bevorzugt von 0,1 ms bis 20 ms, ausgeführt, wobei der Hauptstrom eine Stromstärke von zumindest 1 kA, bevorzugt von 1 kA bis 20 kA, gegebenenfalls auch mehr als 20 kA aufweist.
  • Das Widerstandsschweißen oder -löten kann so ausgeführt werden, dass neben dem Hauptstrom vor dem Fügevorgang ein ansteigender Strom und/oder nach dem Fügevorgang ein abfallender Strom fließt.
  • Der verwendete Prüfkörper kann, um eine präzise Bestimmung der Schichthaftung zu ermöglichen, eine Kontaktfläche mit einer definierten Geometrie aufweisen, die bevorzugt eben oder erhaben sphärisch (mit einem Radius von 5 mm bis 60 mm) ist und/oder eine Ringzacke aufweist. Die Kontaktfläche kann im Querschnitt rund oder polygonal, vorzugsweise quadratisch sein.
  • Zur Bestimmung der Haftfestigkeit kann in einer Ausführungsform die beim Ablösen der Oberflächenschicht gemessene Zugkraft der Kontaktfläche zwischen dem Prüfkörper und der Oberflächenschicht zugeordnet werden, indem die Oberflächenschicht um den Prüfkörper entsprechend der Kontaktfläche vor dem Ausüben der Zugkraft bis auf das Metallsubstrat beispielsweise durch Sägen, Fräsen oder Schneiden durchtrennt wird, oder indem eine von dem Prüfkörper abgewandte Oberfläche des an dem Prüfkörper haftenden, abgelösten Oberflächenschichtstücks optisch ausgewertet wird. Dabei können Oberflächenstrukturen einer direkten Auflagefläche des Oberflächenschichtstücks auf dem Metallsubstrat von einer Spaltungsfläche durch die Oberflächenschicht unterschieden werden, wobei die Kontaktfläche durch die direkte Auflagefläche des Oberflächenschichtstücks auf dem Metallsubstrat ermittelt wird.
  • Um auch die Schichtfestigkeit der Oberflächenschicht in sich zu bestimmen, kann die thermische Fügeverbindung zwischen dem Prüfkörper und der Oberflächenschicht so gestaltet werden, dass beim Ausüben und Erhöhen der Zugkraft auf den Prüfkörper die Oberflächenschicht nicht abgelöst, sondern in sich zerstört und partiell flächig gespalten wird, wobei die Zugkraft bestimmt wird, bei der die Oberflächenschicht gespalten wird.
  • Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt. Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Gegenstände oder Teile von Gegenständen, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Dabei zeigen:
  • 1 eine Seitenschnittansicht durch eine auf ein Substrat aufgebrachte Oberflächenschicht vor Durchführung des Prüfkörperabzugstests mit einem thermisch an die Oberflächenschicht gefügten Prüfkörper,
  • 2 eine Seitenschnittansicht entsprechend 1 nach Durchführung des Prüfkörperabzugstests,
  • 3 eine Seitenschnittansicht durch eine entsprechend der Kontaktfläche des Prüfkörpers bis zum Metallsubstrat durchtrennte Oberflächenschicht vor Durchführung des Prüfkörperabzugstests,
  • 4 eine Seitenschnittansicht entsprechend 3 nach Durchführung des Prüfkörperabzugstests,
  • 5 eine Draufsicht auf die Oberfläche eines abgelösten Oberflächenschichtstücks mit unterschiedlichen Oberflächenstrukturen der direkten Auflagefläche des Oberflächenschichtstücks auf dem Metallsubstrat und der Spaltungsfläche durch die Oberflächenschicht,
  • 6 eine Seitenschnittansicht nach Durchführung des Prüfkörperabzugstests, bei dem die Oberflächenschicht zur Bestimmung der Schichtqualität nicht abgelöst sondern partiell flächig gespalten wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglich die Durchführung eines schnellen und präzisen Prüfkörperabzugstests zur Ermittlung der Schichthaftung und Schichtqualität einer auf ein Metallsubstrat aufgebrachten Oberflächenschicht, nachfolgend entsprechend der Aufbringungsart durch thermisches Spritzen auch Spritzschicht genannt.
  • Erfindungsgemäß wird der Prüfkörper 3, wie in 1 und 3 zu sehen ist, mit der auf das Metallsubstrat 2 aufgespritzten Oberflächenschicht 1 durch Schweißen oder Löten an der Kontaktfläche 3' stoffschlüssig verbunden. Nach dem Fügevorgang wird auf den Prüfkörper 3 eine Zugkraft F ausgeübt und erhöht, bis sich ein mit dem Prüfkörper 3 verbundenes Stück 1' der Oberflächenschicht 1 von dem Metallsubstrat 2 ablöst, wie in 2 und 4 zu sehen ist. Dabei wird die Abzugskraft ermittelt.
  • Bei dem Schweißverfahren handelt es sich z. B. um ein Kurzzeit-Widerstandsschweißverfahren, bei dem der zum Schweißen erforderliche Strom für ca. 0,1 ms bis ca. 20 ms fließt. Der Schweiß-Hauptstrom kann dabei eine Stromstärke von ca. 1 kA bis ca. 20 kA und mehr aufweisen. Die dabei an der Kontaktfläche zwischen Prüfkörper und Oberflächenschicht auftretenden Schweißtemperaturen von beispielsweise 1500°C liegen nur kurzfristig und oberflächlich an, so dass sich eine Oberflächenschicht aus einer Stahllegierung nur etwa auf 200°C erwärmt und dadurch das Metallsubstrat aus einer Aluminiumlegierung nicht über 100°C erwärmt wird, so dass deren Gefüge nicht verändert wird.
  • Wird der Prüfkörper auf die Oberflächenschicht gelötet, kann ebenfalls ein Kurzzeit-Widerstandsverfahren eingesetzt werden, bei dem der zum Löten erforderlich Strom für ca. 1 ms bis ca. 30 ms fließt. Der Hauptstrom kann auch hier eine Stromstärke von ca. 1 kA bis ca. 20 kA und mehr aufweisen. Zum Löten wird zwischen den Prüfkörper und der Oberflächenschicht ein Lot eingebracht, indem beispielsweise ein Lötblech oder Lötfolie aus Hart- oder Weichlot eingelegt wird. Zudem ist vor dem Löten eine Aktivierung der Oberfläche mit reduzierenden Medien wie Lötwasser möglich.
  • Die Kontaktfläche 3' kann, wie im Beispiel in 1 und 2 erhaben kugelig sein, oder sie kann eben mit einer aus der Ebene der Kontaktfläche ragenden Ringzacke 3'' wie in 3 und 4 gestaltet sein. Der Radius einer sphärisch gestalteten Kontaktfläche kann in einem Bereich von 5 mm bis 60 mm liegen.
  • Die ebene, erhaben kugelige oder mit Ringzacke ausgeführte Gestaltung der Kontaktfläche gewährleistet auch bei minimalen Verunreinigungen oder Oberflächenunebenheiten einen gleichmäßigen Schweißstromübergang. Da die Schweiß- bzw. Lötverbindung zwischen Prüfkörper und Oberflächenschicht stärker ist als die Haftung der Oberflächenschicht an dem Metallsubstrat kann, anders als beim Abzugstest mit angeklebtem Prüfkörper, ausgeschlossen werden, dass sich die Schicht wieder vom Prüfkörper löst. Ferner wird durch die extrem kurze Schweiß- bzw. Lötzeit verhindert, dass das Metallsubstrat unter der Kontaktfläche durch thermisch bedingte Gefügeänderungen geschädigt wurde. So werden die Schweiß-/Löt-Parameter in Abhängigkeit der Abmessungen und Materialien von Prüfkörper, Oberflächenschicht und Metallsubstrat so gewählt, dass thermisch bedingte Veränderungen des Metallgefüges im Substrat unter der Spritzschicht vernachlässigt werden können. Generell gilt für Schweißen und Löten, dass neben dem Hauptstrom vorher ein ansteigender Strom oder nach dem Schweiß-/Lötvorgang ein abfallender Strom fließen kann.
  • Das erfindungsgemäße Prüfverfahren ist allgemein für metallische Oberflächenschichten einsetzbar, die auf Metallsubstrate aufgebracht sind, insbesondere, wenn es sich bei der zu prüfenden Schicht um eine Spritzschicht aus einer metallischen, vorzugsweise Stahl-Legierung handelt, die auf ein Gussbauteil, ein Blech oder einen sonstigen Körper aus Leichtmetall wie einer Aluminiumlegierung aufgespritzt wurde. So wird am Beispiel Verbrennungsmotor der Prüfkörper auf die im Zylinder des Kurbelgehäuses aufgespritzte Schicht aufgelötet oder aufgeschweißt.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Prüfverfahren können sowohl die Schichtfestigkeit selbst als auch die Schichthaftung schnell geprüft werden. Das Prüfverfahren eignet sich für Versuche als auch zur Serienprüfung und Serienoptimierung. Es kann bei Änderungen von qualitätsbestimmenden Parametern oder z. B. nach Brennerwechseln (im Spritzprozess) eingesetzt werden. Entsprechendes gilt bei Änderungen im Aufrauprozess des Substrates oder bei Änderungen vom Guss oder in der Wärmebehandlung. Das Prüfverfahren kann auch zur Überprüfung von Schichtfestigkeit und Schichthaftung eingesetzt werden, wenn Gießverfahren, Trennmittel oder dessen Wärmebehandlung geändert werden.
  • Außerdem kann das Prüfverfahren auch bei Kurbelgehäusen angewandt werden, die schon im Einsatz waren, d. h. wenn der Verbrennungsmotor schon gelaufen ist. So kann nach Motorschäden auch nachtäglich die aufgespritzte Schicht im Zylinder bei Motorschäden untersucht werden, um zu Überprüfen ob ein Versagen der Schicht Ursache war.
  • Die zu überprüfende Oberflächenschicht kann im Rohzustand vorliegen, sie kann aber auch vorgehont, ausgedreht oder fertig gehont sein. Es ist auch möglich, die Schicht vorher z. B. mit Sandpapier oder mit Sandstrahlen zu behandeln.
  • Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Prüfverfahrens wird die auf den Prüfkörper wirkende Zugkraft erhöht, bis sich die Spritzschicht von dem Substrat ablöst. Das abgelöste Spritzschichtstück haftet am Prüfkörper. Eine optische Überprüfung des abgelösten Spritzschichtstücks lässt eine Beurteilung der Schichtqualität und der Schichthaftung zu. Ist die Fläche des abgelösten Schichtstücks weit größer als die Kontaktfläche des Prüfkörpers und/oder die beim Ablösen gemessene Zugkraft gering, kann auf eine zu geringe Haftung der Schicht geschlossen werden. Ein weiteres Merkmal können angerissene oder abgeschälte Fetzen und Bruchstücke der Spritzschicht sein, die noch partiell haften und ähnlich einem Krater um die Schweiß-/Lötstelle in die Höhe stehen.
  • Zur Beurteilung der Schichthaftung wird die Zugkraft beim Ablösen der Oberflächenschicht von dem Substrat gemessen und einer Flächenhaftung (N/mm2) zugeordnet.
  • Dazu kann die dem Prüfkörper abgewandte Fläche des abgelösten Oberflächenschichtstücks optisch beurteilt werden. 5 skizziert die Ansicht auf ein abgelöstes Oberflächenschichtstück 1' auf der von dem Prüfkörper abgewandten Seite. Im Bereich 11, der der mit dem Prüfkörper verschweißten Kontaktfläche entspricht, ist das Oberflächenschichtstück 1' komplett bis zum Substrat abgezogen, so dass sich dort regelmäßige Strukturen der Substratoberfläche abzeichnen. Im umgebenden Bereich 12 ist die Oberflächenschicht gerissen und weist unregelmäßige Strukturen auf, die sich deutlich von den Strukturen im Bereich 11 unterscheiden. Die optische Beurteilung und Verarbeitung kann beispielsweise mit Hilfe von Kameras, die eine Rechnereinheit aufweisen oder mit einer verbunden sind, auf der ein Programm zur Bildauswertung ausgeführt wird, erfolgen, da die direkte Auflagefläche auf dem Substrat gut erkennbar und von der Fläche, die entsteht, wenn die Spritzschicht durchrissen wird, unterscheidbar ist. Die Haftfläche wird quasi freigeschnitten und der gemessenen Zugkraft zugeordnet, gegebenenfalls unter Nutzung einer Korrekturfunktion, die die Kraft zum Zerreißen der Schicht berücksichtigt.
  • So kann in einem ersten Schritt, in dem nur die Abzugskraft F gemessen wird, eine qualitative Aussage über die Haftungsqualität der Schicht am Substrat getroffen werden. Aus dieser Abzugskraft F kann in einem zweiten Schritt die Flächenhaftung mit und ohne Freischnitt berechnet werden, so dass auch eine quantitative Aussage über die Schichthaftung gemacht werden kann.
  • Ferner kann alternativ oder zusätzlich eine Flächenhaftung exakt ermittelt werden, indem die Spritzschicht 1 um den Prüfkörper 3 bis auf das Substrat 2 durchgesägt, durchgefräst oder durchgeschliffen wird, wie in 3 gezeigt wird. Der umlaufende Spalt 4 begrenzt eine genau definierte Fläche der Spritzschicht 1, so dass in diesem Fall die Abzugskraft F nicht um den Kraftanteil verfälscht ist, der zum Durchreißen der Spritzschicht 1 benötigt wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht so sehr genaue Messungen und Messergebnisse bei gleichzeitig geringem Aufwand zur Herstellung der Prüfanordnung, die zeitsparend durch Kurzzeit-Schweißen oder -Löten erfolgt, und Durchführung der Prüfung im Abzugstest. Der Prüfkörper kann zudem an beliebiger Position angebracht werden, d. h. auch an den Bereichen eines Kurbelgehäuses zwischen den Zylinderstegen sowie in der Nähe des Randes von Zylinderfuß und Deckfläche zum Zylinderkopf.
  • Ferner kann mit dem erfindungsgemäßen Prüfverfahren auch eine Messung der Schichtqualität erfolgen, indem die Schicht gezielt durch flächiges Spalten zerstört wird, wie 6 zeigt. Durch Sonderschweißparameter kann die Schweißverbindung des Prüfkörpers 3 an der Spritzschicht 1 so gestaltet werden, dass diese sich beim Abzugstest nicht vollständig vom Substrat 2 löst. Die Schicht 1 wird in sich zerstört und partiell gespalten. Ein Teil 1' der abgespaltenen Schicht befindet sich dann am Prüfkörper 3, der Rest der Schicht 1 haftet am Substrat 2. Durch die Zuordnung der bei der Spaltung der Schicht gemessenen Zugkraft lässt sich eine Aussage über die Schichtqualität treffen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102011120559 A1 [0006]
    • DE 102010043399 A1 [0007]

Claims (9)

  1. Verfahren zur Prüfung einer Haft- und Schichtfestigkeit einer auf ein Metallsubstrat (2) aufgebrachten Oberflächenschicht (1), wobei ein Prüfkörper (3) an der Oberflächenschicht (1) befestigt wird und eine Zugkraft (F) auf den Prüfkörper (3) ausgeübt und erhöht wird, bis die Oberflächenschicht (1) von dem Metallsubstrat (2) abgelöst wird, wobei die Zugkraft (F), bei der die Oberflächenschicht (1) abgelöst wird, gemessen und ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigung des Prüfkörpers (3) an der Oberflächenschicht (1) stoffschlüssig flächig durch ein thermisches Fügeverfahren erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Fügeverfahren ein Kurzzeit-Widerstandsschweißen oder Kurzzeit-Widerstandslöten ist, wobei beim Löten zwischen dem Prüfkörper (3) und der Oberflächenschicht (1) Lot (4) eingelegt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zur Befestigung des Prüfkörpers (3) ein stromführendes Teil, insbesondere aus Cu oder Al, an den Prüfkörper (3) angelegt wird, dass den Strom auf den Prüfkörper (3) überträgt und an welchem zur Durchführung des thermischen Fügeverfahrens eine elektrische Spannung gegenüber dem Metallsubstrat (2) und/oder der aufgebrachten Oberflächenschicht (1) angelegt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Schweiß-/Lötparameter in Abhängigkeit der Abmessungen einer Kontaktfläche des Prüfkörpers (3), der Materialien von Oberflächenschicht (1), Prüfkörper (3), gegebenenfalls Lot (4) und der Dicke der Oberflächenschicht (1) so gewählt werden, dass keine thermischen Gefügeänderungen des Metallsubstrats (2) auftreten.
  5. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass beim Kurzzeit-Widerstandsschweißen/-Widerstandslöten ein Strom für einen Zeitraum von 0,05 ms bis 30 ms, bevorzugt von 1 ms bis 3 ms, fließt und der Hauptstrom eine Stromstärke von zumindest 1 kA, bevorzugt von 4 kA bis 20 kA, aufweist.
  6. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem Hauptstrom vor dem Fügevorgang ein ansteigender Strom und/oder nach dem Fügevorgang ein abfallender Strom fließen kann.
  7. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der verwendete Prüfkörper (3) eine Kontaktfläche mit einer definierten Geometrie aufweist, die bevorzugt eben oder erhaben sphärisch ist und/oder eine Ringzacke aufweist und die im Querschnitt bevorzugt rund oder polygonal ist.
  8. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Haftfestigkeit die gemessene Zugkraft (F) beim Ablösen der Oberflächenschicht (1) einer Kontaktfläche zwischen dem Prüfkörper (3) und der Oberflächenschicht (1) zugeordnet wird, – indem die Oberflächenschicht (1) um den Prüfkörper (3) entsprechend der Kontaktfläche vor dem Ausüben der Zugkraft (F) bis auf das Metallsubstrat (2) durchtrennt wird, oder – indem eine von dem Prüfkörper (3) abgewandte Oberfläche des an dem Prüfkörper (3) haftenden, abgelösten Oberflächenschichtstücks (1') optisch ausgewertet wird und Oberflächenstrukturen einer direkten Auflagefläche des Oberflächenschichtstücks (1') auf dem Metallsubstrat (2) von einer Spaltungsfläche durch die Oberflächenschicht (1) unterschieden werden, wobei die Kontaktfläche durch die direkte Auflagefläche des Oberflächenschichtstücks (1') auf dem Metallsubstrat (2) ermittelt wird.
  9. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Schichtfestigkeit der Oberflächenschicht (1) die thermische Fügeverbindung zwischen dem Prüfkörper (3) und der Oberflächenschicht (1) so gestaltet wird, dass beim Ausüben und Erhöhen der Zugkraft (F) auf den Prüfkörper (3) die Oberflächenschicht (1) nicht abgelöst, sondern in sich zerstört und partiell flächig gespalten wird, wobei die Zugkraft (F) bestimmt wird, bei der die Oberflächenschicht (1) gespalten wird.
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