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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren, um zu prüfen, wie eine Beschichtung auf einer Zylinderlaufbahn haftet.
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Die Haftung der Beschichtung auf einer Zylinderlaufbahn, die zur Verbesserung der Haftung der Beschichtung beispielsweise mittels Hochdruckwasserstrahl oder mechanisch aufgeraut ist, ist ein elementares Funktionsmerkmal des entsprechenden Bauteils. Diese Haftung soll geeigneter Weise sowohl in der Prozessentwicklung als auch in der Serienprüfung überprüft werden.
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Es gibt bereits unterschiedliche Verfahren, um die Zugfestigkeit von Beschichtungen zu prüfen. Im sogenannten „Tubular-Coating-Tensile-Test” wird die Zugfestigkeit innerhalb der Beschichtungsebene also normal zur Flächennormalen auf die beschichtete Oberfläche geprüft. Dabei werden zwei zylindrische Prüfkörper so angeordnet, 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. Danach wird die Fixierung gelöst, so dass die Prüfkörper ausschließlich durch die Beschichtung zusammengehalten werden, und eine Zugkraft wird entlang der Rotationssymmetrieachse der zylindrischen Prüfkörper ausgeübt. Die Zugkraft wird so lange erhöht, bis die Beschichtung im Stoßbereich versagt. Hierdurch erhält man ein Maß für die Zugfestigkeit der Beschichtung selbst, das nicht von den Eigenschaften des Substrates beeinflusst wird.
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Im so genannten Haftzugversuch wird ein Prüfkörper auf die zu überprüfende Beschichtung eines Bauteils geklebt und anschließend eine Zugkraft in Richtung einer Flächennormalen der beschichteten Fläche ausgeübt, bis der Zusammenhalt von Beschichtung und Substrat zusammenbricht. Die
DE 10 2011 120 559 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens an einer beschichteten Zylinderlauffläche. Allerdings wird hier die Beschichtung auf Zug beansprucht. Diese Beanspruchung entspricht jedoch nicht den im Betrieb tatsächlich auftretenden Belastungen, bei denen die Beschichtung auf Scherung belastet wird.
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Ferner sind auch Vorrichtungen bekannt, mit denen die Beschichtung unter Scherung geprüft werden kann. Dabei wird ein Prüfring koaxial in eine beschichtete Zylinderbohrung eingeführt und mit dieser verklebt. Anschließend wird eine Prüfkraft auf den Prüfring ausgeübt und schrittweise erhöht bis die Beschichtung versagt und abschert; die gemessene Prüfendkraft ist ein Maß für die Schichthaftung. Stark haftende Schichten können jedoch mit einer solchen Vorrichtung nicht geprüft werden, da die Klebeverbindung häufig vor der Beschichtung versagen wird.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung und ein Verfahren zum Prüfen der Haftung („Haftungsprüfung”) der Beschichtung einer Zylinderlaufbahn zu schaffen, die es ermöglichen, auch stark haftende Beschichtungen zu prüfen, wobei die Prüfung schneller und komfortabler als unter Verwendung bekannter Vorrichtungen und Verfahren durchgeführt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Haftungsprüfung der Beschichtung auf einer Zylinderlaufbahn mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 und mit einem Prüfverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Prüfen der Haftungsbeschichtung auf einer Zylinderlaufbahn einer Zylinderbohrung weist in einer ersten Ausführungsform einen Prüfring auf, der koaxial in der Zylinderbohrung angeordnet ist, wobei der Prüfring an seiner Mantelfläche eine Prüfoberfläche hat. Der Prüfring ist mit einer Prüfkrafteinleitungsvorrichtung kraftleitend gekoppelt, die ihrerseits operativ mit einer Prüfkraftmessvorrichtung gekoppelt ist. Der Prüfring ist ferner radial aufweitbar und im Prüfring, respektive in seiner Drehachse, ist eine aktivierbare, kraftsteuerbare und radial ausdehnbare Aufweitvorrichtung angeordnet. Die Aktivierung der Aufweitvorrichtung wird durch ihre operative Kopplung an eine Vorrichtung, die eine entsprechende Kraft einleitet, ermöglicht („Ausdehnungskrafteinleitungsvorrichtung”.
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Unter Verwendung der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung können auch hochhaftende Beschichtungen auf Zylinderlaufbahnen geprüft werden, da die Prüfkrafteinleitung vom Prüfring der Prüfvorrichtung in die Beschichtung nicht wie bei bekannten Prüfvorrichtungen über Klebe- oder Lötverbindungen realisiert ist, sondern kraftschlüssig. Die Vorspannkraft kann je nach zu prüfender Beschichtung und/oder den mechanischen Eigenschaften des Gehäusewerkstoffs angepasst werden, wobei eine Kraftmessung unter Verwendung bekannter Mittel wie Kraftmessdosen oder eigens gebauter Biegebalken mit Dehnungsmessung erfolgen kann. Die Prüfung der Schichtenhaftung unter Scherung kann dadurch schneller und weniger fehleranfällig als bisher durchgeführt werden, da nicht zuerst umständlich der Prüfring mit der Beschichtung verbunden werden muss. Der Prüfring wird als Teil der Prüfvorrichtung in den Zylinder eingeführt, woraufhin er radial aufgeweitet wird, bis er in Kontakt mit der Zylinderlaufbahn steht und durch weitere Ausübung einer Aufweitkraft eine Vorspannkraft in Normalenrichtung der Mantelfläche der Zylinderlaufbahn erzeugt wird. Diese Vorspannkraft ist direkt proportional zu der übertragbaren Scherkraft zur Prüfung der Beschichtung. Die Scherkraft wird über die Prüfkrafteinleitungsvorrichtung auf den Prüfring aufgebracht, wobei es sich bei der Scherkraft um eine Kraft, die parallel zu der Längsachse des Zylinders einwirkt oder um ein Prüfmoment um die Längsachse handeln kann, über das eine Prüfkraft in Umfangsrichtung des Prüfrings erzeugt wird.
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In einer Ausführungsform kann die Aufweitvorrichtung ein Hydrodehnfutter oder eine Konusaufweitungsvorrichtung umfassen.
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Der Prüfring kann zur geeigneten Aufweitung aus mehreren Ringsegmenten gebildet werden.
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Hydrodehnfutter und Konusaufweitungsvorrichtung sind bekannte Spannelemente aus dem Werkzeugmaschinenbau, durch die sehr große Spannkräfte erzeugt werden können. Die erreichbare Leistungsdichte, sowohl bei der hydraulischen Kraftübertragung als auch der Krafterzeugung durch den Keileffekt, ist vergleichsweise hoch, wodurch auch Beschichtungen, die in Reibpaarung mit dem Prüfring einen kleinen Haftreibungskoeffizienten haben, mit der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung geprüft werden können. Die Konusaufweitungsvorrichtung kann beispielsweise einen konischen Stempel aufweisen, der zur Erzeugung der Aufweitkraft gegenüber umfänglich angeordneten Spannbackenelementen verschiebbar ist.
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In einer noch weiteren Ausführungsform kann die Prüfkrafteinleitungsvorrichtung eine Welle aufweisen, wobei der Prüfring koaxial über der Welle angeordnet ist, bevorzugt an einem Wellenende. Bei der Welle kann es sich beispielsweise um einen kurzen Wellenstumpf handeln, der zur Einleitung einer Prüfkraft oder eines Prüfmoments beispielsweise in eine Zweisäulenprüfmaschine, wie sie aus der Werkstoffprüfung bekannt ist, eingespannt werden kann. Die erfindungsgemäße Prüfvorrichtung kann vorteilhaft unter Verwendung einer Universalprüfmaschine, die in vielen Fällen bereits vorhanden sein wird, betrieben werden, was die effektiven Kosten des Prüfsystems reduziert.
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Ferner kann die Prüfoberfläche des Prüfrings eine Hartstoffbeschichtung und/oder einen Hartstoffbesatz aufweisen. Der Hartstoffbesatz kann insbesondere in einem vorbestimmten Muster angeordnet sein; es kann sich dabei etwa um einen Diamantbesatz handeln. Der Hartstoffbesatz kann aus einzelnen Hartstoffkörpern bestehen, die in einem regelmäßigen oder stochastischen Muster angeordnet sind. Durch Einsatz eines Hartstoffbesatzes kann einerseits die kraftschlüssig übertragbare Prüfkraft erhöht werden und andererseits wird hierdurch eine zerstörungsfreie Prüfmöglichkeit geschaffen, mittels der auch höchsthaftende und schwer abscherbare Beschichtungen geprüft werden können. In einem solchen Fall werden die Hartstoffkörper bei einsetzender Relativbewegung des Prüfrings Kratzspuren in der Beschichtung hinterlassen, wobei die Kratzspuren nach Abschluss der Prüfung optisch ausgewertet werden und unter Kenntnis der der Vorspannkraft zugeordneten Prüfendkraft ein Maß für die Schichthaftung sind. Die Auswertung der Kratzspuren kann ähnlich wie beim „Scratchtest” gemäß der ASTM C1624 erfolgen, bei der ein Prüfkörper unter ansteigender Anpresskraft über die Prüfoberfläche gezogen wird. Als Maß für die Schichthaftung wird hierbei die Anpresskraft herangezogen, bei der erste Abplatzungen der Beschichtung beobachtet werden. Die Prüfvorrichtung kann hierzu eine Messsensorik und Messwerterfassung haben, mittels der zu jeder Prüfringposition eine zugeordnete Anpresskraft ermittelt und abgespeichert werden kann. Hilfsweise können auch akustische Ereignisse parallel dazu aufgezeichnet werden, da sich ein Versagen der Schicht eventuell zeitlich vor dem sichtbaren Abplatzen bereits durch Schallemissionen ankündigt.
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Darüber hinaus kann der Prüfring einen Innenring und einen Außenring aufweisen, wobei an dem Außenring die Prüfoberfläche vorliegt. Der Außenring kann auswechselbar mit dem Innenring verbunden sein, was vorteilhaft ist, da hauptsächlich der Außenring dem Verschleiß unterliegt, da lediglich er in Kontakt mit der Beschichtung der Zylinderbohrung kommt. Durch diese Maßnahme können Betriebskosten der Prüfvorrichtung reduziert werden, da der Außenring alleine viel kostengünstiger bereitgestellt werden kann als der ganze Prüfring. Der Außenring kann mit dem Innenring beispielsweise verschrumpft sein oder durch formschlüssige Haltemittel gehalten werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Prüfen der Haftung einer Beschichtung auf einer Zylinderlaufbahn einer Zylinderbohrung wird unter Verwendung der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung ausgeführt. Bei der Prüfung ist der Prüfring in der Zylinderbohrung in einer vorbestimmten Prüftiefe positioniert. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- a) Aktivieren der Aufweitvorrichtung, dadurch radial Aufweiten des Prüfrings und in Kontakt Bringen der Prüfoberfläche des Prüfrings mit der Beschichtung,
- b) unter Verwendung der Aufweitvorrichtung kraftgesteuert weiter Aufweiten des Prüfrings und Einstellen einer vorbestimmten Vorspannkraft der Prüfoberfläche auf die Beschichtung,
- c) Aufbringen einer Prüfkraft auf den Prüfring mittels der Prüfkrafteinleitungsvorrichtung,
- d) in vorbestimmten Schritten Steigern der Prüfkraft bis der Prüfring unter Einwirkung der Prüfkraft und unter Abscherung der Beschichtung eine Relativbewegung gegenüber der Zylinderbohrung ausführt,
- e) Messen der Prüfkraft aus Schritt d) mittels der Prüfkraftmessvorrichtung als Prüfendkraft.
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Über eine an die zu prüfende Beschichtung, insbesondere deren Reibwert in Reibpaarung mit der Prüfoberfläche, angepasste Vorspannkraft kann eine große Bandbreite unterschiedlich stark haftender Beschichtungen geprüft werden. Im Gegensatz zu bekannten Prüfvorrichtungen und -verfahren wird die maximal zu prüfende Haftung nicht durch die Festigkeit einer Klebe- oder Lötverbindung des Prüfrings mit der Zylinderlaufbahn begrenzt. Ferner kann die Beschichtung unter Verwendung des erfindungsgemäßen Prüfverfahrens sehr realitätsnah geprüft werden, indem bei der Prüfung eine Prüfkraft in Längsrichtung der Zylinderbohrung und ein Prüfmoment um die Längsachse überlagert werden. Zur fortlaufenden Messung der Prüfkraft, Vorspannkraft und der Position des Prüfrings kann ein Datenlogger oder A/D-Wandler mit hoher Samplingrate zum Anschluss an einen Messrechner verwendet werden.
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Die Beschichtung kann in einem unbearbeiteten Zustand, einem schruppgehonten oder schruppgedrehten Zustand oder einem fertigbearbeiteten Zustand geprüft werden. Unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann daher auch die Wirksamkeit von Maßnahmen zur Behandlung der Zylinderbohrung vor dem Beschichten überprüft werden, wobei insbesondere Hochdruckwasserstrahlen und/oder mechanisches Aufrauen in Frage kommt. Die Bandbreite prüfbarer Beschichtungen umfasst unter anderem thermische Spritzschichten, bevorzugt durch Lichtbogendrahtspritzen oder PTWA erzeugte Spritzschichten.
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In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann im Schritt a) radial Aufweiten des Hydrodehnfutters oder der Konusdehnvorrichtung, dadurch Erreichen der Aufweitung des Prüfrings, ausgeführt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Prüfkraft eine Kraftrichtung parallel zu der Längsachse oder in Umfangsrichtung der Zylinderbohrung haben. Mit Prüfkraft ist hier die Kraft, die bei Flächenkontakt der Prüfoberfläche des Prüfrings und der Zylinderlaufbahn einwirkt, gemeint. Eine Prüfkraft in Umfangsrichtung kann durch Aufbringen eines Prüfmoments auf die Krafteinleitungsvorrichtung erreicht werden. Durch aufeinanderfolgende Prüfungen in unterschiedlichen Kraftrichtungen kann auch festgestellt werden, ob der Abscher-Widerstand der Beschichtung von der Belastungsrichtung abhängt, oder die Schicht isotrope Eigenschaften hat.
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Darüber hinaus kann das Verfahren den folgenden Schritt aufweisen: Erzeugen zumindest eines umlaufenden Freischnitts in der Zylinderbohrung, wobei der Freischnitt bevorzugt eine Tiefe hat, die größer als eine Beschichtungsdicke ist.
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Vorteilhaft können auch zwei Freischnitte erzeugt werden, ein oberer Freischnitt und ein unterer Freischnitt, wobei ein zu prüfender Beschichtungsabschnitt in der Prüftiefe dazwischen liegt. Die beiden Freischnitte begrenzen den zu prüfenden Beschichtungsabschnitt beidseitig, wodurch die Größe der Oberfläche des zu prüfenden Beschichtungsabschnitts genau bestimmt werden kann, insbesondere kann dadurch auch ein Beschichtungsabschnitt geprüft werden, der niedriger als der Prüfring ist. Ferner kann durch Festlegung der Höhe des zu prüfenden Beschichtungsabschnitts die durch den Prüfring aufzubringende Flächenpressung effektiv eingestellt werden. Dies ist insbesondere zur Prüfung von höchsthaftenden Beschichtungen vorteilhaft, da bei gegebener Maximalvorspannkraft des Prüfrings durch eine Verkleinerung der Kontaktfläche durch eng zusammen liegende Freischnitte eine erhöhte Flächenpressung erreicht werden kann.
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Schließlich kann im Schritt d) Zerkratzen der Beschichtung durch den Hartstoffbesatz, aufgeführt werden. Zusätzlich können dann die Schritte
- f) Lösen der Vorspannkraft und der Aufweiung des Prüfrings, Entnehmen des Prüfrings aus der Zylinderbohrung,
- g) Vermessen einer Kratzertiefe und/oder Kratzerlänge der Beschichtung bevorzugt mit optischen Messmethoden, durchgeführt werden.
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Die Auswertung der Kratzspuren kann, wie oben beschrieben, ähnlich der ASTM C1624 erfolgen. Dabei wird auf Messdaten der Bewegung des Prüfrings und der Vorspannkraft zurückgegriffen. Neben der Beurteilung der Kratzspuren selbst, kann es aufschlussreich sein, das Umfeld des Kratzers (Risse, Abplatzungen...) zu untersuchen. Eine Vermessung der Kratzer bzw. des Kratzerumfelds kann etwa unter Verwendung eines Mikroskops geschehen.
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Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitende Figur dargelegt. Der Bezug auf die Figur in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figur ist lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung, sie zeigt einen Längsschnitt einer Zylinderbohrung mit eingeführter erfindungsgemäßer Prüfvorrichtung.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Prüfen der Haftung einer Beschichtung 22 auf einer Zylinderlaufbahn 21' ist in der einzigen Figur im Längsschnitt dargestellt, wobei die Vorrichtung 1 in eine Zylinderbohrung 21 eingeführt ist, die in einem Gehäuse 2 einer Kolbenmaschine, etwa einem Verbrennungsmotor oder Kompressor, vorliegt. Die Prüfvorrichtung 1 hat eine Welle 11, mit deren freien Ende 11' der Prüfring 14 verbunden ist, der in radialer Richtung aufweitbar ist, was durch die Pfeile angedeutet wird. Der Prüfring 14 selbst besteht aus einem mit der Welle 11 verbundenen Innenring 143 und dem mit dem Innenring 143 verbundenen Außenring 141, an dessen Mantelfläche die Prüfoberfläche 141' vorliegt. Bei Verschleiß der Prüfoberfläche 141' genügt es daher, lediglich den Außenring 141 auszutauschen während der Innenring 143 weiter verwendet werden kann.
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Durch das Aufweiten des Prüfrings 14 wird dieser in Kontakt mit der Beschichtung 22 gebracht, wobei bei weiterer Kraftausübung eine Vorspannkraft zwischen dem Prüfring 14 und der Beschichtung 22 der Zylinderlaufbahn 21' erzeugt wird, die die Bewegung des Prüfrings 14 sperrt. Über die Welle 11 kann eine Prüfkraft FPrüf, ein Prüfmoment MPrüf oder eine Kombination daraus auf den Prüfring 14 aufgebracht werden, wobei die Beschichtung 22 auf Scherung beansprucht wird; im Fall einer reinen Axial-Prüfkraft FPrüf in einer Richtung parallel zur Längsachse der Zylinderbohrung 21 und im Falle eines reinen Prüfmoments MPrüf in Umfangsrichtung der Zylinderbohrung 21. Die Vorspannkraft kann in Abhängigkeit der zu erwartenden Haftungswerte der zu prüfenden Beschichtung 22 und/oder den mechanischen Eigenschaften des Gehäusewerkstoffs angepasst werden.
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Nach dem in Kontakt Bringen des Prüfrings 14 mit der Beschichtung 22 wird die Prüfkraft in vorbestimmten Schritten erhöht bis der Prüfring 14 anfängt, sich relativ zur Zylinderbohrung 21 zu bewegen. Die Prüfkraft, bei der die Bewegung begonnen hat wird mit der Prüfkraftmessvorrichtung gemessen und als Prüfendkraft aufgezeichnet und ist ein Maß für die Haftung der Beschichtung 22 auf der Mantelfläche 21' der Zylinderlaufbahn 21'.
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Unter Verwendung der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung 1 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Prüfverfahrens ist eine Prüfung der Schichteigenschaften unter realitätsnaheren Bedingungen als bisher möglich, wodurch eine genauere, weil an den individuellen Lastfall besser angepasste Dimensionierung solcher Beschichtungen 22 ermöglicht wird. In der Realität wird die Bewegung eines Kolbens in der Zylinderbohrung 21 nie genau parallel zur Längsachse der Zylinderbohrung 21 verlaufen, sondern aufgrund von Toleranzen und Spiel stets eine Kombination aus einer Hubbewegung und einer Drehbewegung sein; die Prüfung kann daher auch unter Einwirkung einer aus Prüfmoment und axialer Prüfkraft zusammengesetzten Belastung erfolgen. Die erfindungsgemäße Prüfvorrichtung 1 und das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich auch für stark haftende und dadurch nur schwer „abscherbare” Beschichtungen, da kein ähnlich limitierender Faktor wie die Verklebung des Prüfrings bei bekannten Prüfvorrichtungen existiert.
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Neben der Auswertung der Prüfkraft (oder alternativ dazu) können bei der Untersuchung einer nur schwer abscherbaren Beschichtung Kratzer, die vom Hartstoffbesatz 142 in der Beschichtung 22 durch die Relativbewegung des Prüfrings 14 hinterlassen werden, ausgewertet werden, etwa deren Länge und/oder Tiefe, wobei optische Messmethoden zum Einsatz kommen können. Wenn es sich bei der Prüfkraft Fprüf um eine reine Zug/Druckkraft handeln soll, kann zwischen der Welle 11 und dem Prüfring 14 ferner eine reibungsarme Gleitscheibe oder „Gleitkalotte” angebracht werden, die verhindern soll, dass von der Welle 11 Kräfte exzentrisch auf den Prüfring 14 übertragen werden.
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Um eine optische Auswertung des zu prüfenden Abschnitts der Beschichtung 22 zu erleichtern, insbesondere um die von dem Hartstoffbesatz 142 hinterlassenen Kratzer von anderen Kratzern abgrenzen zu können, sind oberhalb und unterhalb der Prüftiefe Tprüf umlaufende Freischnitte 23, 24 in der Wandung der Zylinderlaufbahn 21' vorgesehen, die tiefer als die Dicke der Beschichtung 22 sind. Da der Längsachsenabstand zwischen den beiden Freischnitten 23, 24 die Größe der zu prüfenden Oberfläche bestimmt, kann durch die Positionierung der Freischnitte 23, 24 bei gegebener Vorspannkraft indirekt die Flächenpressung auf die Prüfoberfläche eingestellt werden bzw. mit einem Prüfring 14 mit festgelegter Höhe auch niedrigere Prüfoberflächen geprüft werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011120559 A1 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ASTM C1624 [0014]
- ASTM C1624 [0023]
