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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Haftzugprüfung nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines derartigen Verfahrens.
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Verfahren zur Prüfung einer Haft- und Schichtfestigkeit einer auf einem Substrat aufgebrachten Oberflächenschicht, welche im Allgemeinen auch als Haftzugprüfung bezeichnet werden, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Bei derartigen Verfahren wird typischerweise ein Stempel auf der zu prüfenden Oberfläche angebracht, insbesondere mit der Oberfläche verklebt und anschließend abgezogen, wobei die Maximalkraft, bis die Beschichtung, auf welcher der Stempel angebracht ist, sich von dem Substrat löst, ausgewertet wird. Bei sehr guter Anhaftung der Beschichtung auf dem Substrat kann es dabei auch zu einem Bruch des Klebers kommen. Da dessen Zugfestigkeit typischerweise bekannt ist, kann bei einer Maximalkraft, welche den Bruch des Klebers verursacht, davon ausgegangen werden, dass die Beschichtung bis zu dieser Maximalkraft sehr gut anhaftet. Die entsprechenden Verfahren sind sehr gut geeignet, um die Haftung einer Beschichtung auf einem Substrat zu prüfen.
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In der Praxis kann insbesondere das Verkleben des Stempels mit der Beschichtung gegebenenfalls schwierig sein. Aus diesem Grund ist in der
DE 10 2013 013 161 A1 ein Verfahren beschrieben, bei dem anstelle einer Verklebung ein Auflöten des Stempels auf die Beschichtung beschrieben ist. Hierdurch werden beim Kleben gegebenenfalls auftretende Nachteile verhindert.
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Ein weiteres Problem, welches sich in der Praxis aufgetan hat, ist die Tatsache, dass, insbesondere bei gekrümmten oder gebogenen Oberflächen der Beschichtung, die Anordnung der Stempel etwas schwierig ist, da diese typischerweise von Hand erfolgt. Im Ergebnis ist es dann so, dass die Stempel teilweise nicht exakt senkrecht über der Oberfläche bzw. senkrecht über der Tangente auf der Oberfläche liegen. Hierdurch kann es zu einem schrägen Anhaften der Stempel kommen. Beim Abziehen der Stempel führt dies zu Kraftkomponenten, welche schräg zur Oberfläche verlaufen und welche letztlich die Messergebnisse stark beeinträchtigen. Auch ist es so, dass der Vorgang des Abziehens selbst, insbesondere bei nicht ebenen Oberflächen der Beschichtung, häufig in einem Winkel zur Oberfläche bzw. ihrer Tangente erfolgt, da eine präzise Ausrichtung einer typischerweise zum Abziehen der Stempel genutzten Vorrichtung nicht oder nur schwer möglich ist. Auch dies führt, insbesondere wenn die Stempel ohnehin schon nicht exakt senkrecht gegenüber der Oberfläche bzw. ihrer Tangente aufgebracht waren, ebenfalls zu einer Verfälschung der Messergebnisse.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, dieser Problematik abzuhelfen und ein Verfahren zur Haftzugprüfung anzugeben, welches zuverlässige und sehr gut reproduzierbare Ergebnisse liefert.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem ist eine bevorzugte Verwendung des Verfahrens angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es vorgesehen, dass der oder die Stempel mittels eines Stempelhalters in einer definierten Position zu der Oberfläche der Beschichtung positioniert werden. Danach werden die Stempel mit der Oberfläche der Beschichtung verbunden und der Stempelhalter wird entfernt. Eine Positionsscheibe wird um die Stempel positioniert und anschließend erfolgt der Abzug der Stempel mittels der Abziehvorrichtung. Der Stempelhalter zur exakten Positionierung der Stempel erlaubt dabei sowohl eine örtliche Positionierung der Stempel auf der Oberfläche der Beschichtung als auch eine exakte Positionierung der Stempel in ihrem Winkel gegenüber der Oberfläche, vorzugsweise in einem Winkel senkrecht zur Oberfläche oder einer in der Mitte der Berührungsfläche zwischen dem Stempel und der Oberfläche der Beschichtung liegenden Tangente. Die Stempel verbleiben während dem Verbinden der Stempel mit der Oberfläche der Beschichtung mit dem Stempelhalter, sodass ihre Position auch beim Verbinden exakt eingehalten wird und damit die Stempel exakt in der gewünschten Position hinsichtlich Ort und Winkellage gegenüber der Oberfläche der Beschichtung mit dieser verbunden werden. Erst danach wird der Stempelhalter entfernt und eine Positionsscheibe wird um die Stempel positioniert, um so über die Positionsscheibe eine Ausrichtung der Abziehvorrichtung zu ermöglichen und damit den Abzug der Stempel in der gewünschten Art und Weise, insbesondere exakt in der vorgegebenen Position und dem erforderlichen Abzugswinkel, zu realisieren.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dafür die Abzugsvorrichtung auf der Positionsscheibe angeordnet und stützt sich während des Abzugs des Stempels auf dieser Positionsscheibe ab, um so exakt den Ort und die Winkellage einzuhalten, welche für bestmögliche und reproduzierbare Messergebnisse geeignet ist.
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Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es nun ferner vor, dass die Positionierung der Positionsscheibe mittels eines Adapters erfolgt, welcher auf den Stempel aufgeschraubt wird und über einen Konus dabei mit einem Konus der Positionsscheibe zusammenwirkt, um diese zuverlässig gegenüber dem Stempel zu positionieren. Der mit der Oberfläche verbundenen Stempel selbst, welcher aufgrund des Einsatzes des Stempelhalters sehr exakt hinsichtlich Ort und Winkellage mit der Oberfläche verbunden ist, wird also zur Ausrichtung und Positionierung der Positionsscheibe verwendet. Auf den Stempel wird hierzu ein typischerweise ohnehin benötigter Adapter locker aufgeschraubt, über welchen später insbesondere die Abziehvorrichtung über den Adapter am Stempel angreift. Dieser Adapter ist nun mit einem entsprechenden Konus versehen. In der Positionsscheibe befindet sich ein geeigneter Gegenkonus, sodass beim Aufschrauben des Adapters auf den Stempel durch das Zusammenwirken der beiden Koni eine sichere und zuverlässige Positionierung der Positionsscheibe gegenüber dem Stempel erfolgt. Die Abziehvorrichtung stützt sich dann gemäß der bereits beschriebenen vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens die Abziehvorrichtung auf dieser Positionsscheibe ab, so ist ihre exakte Position gegenüber der Oberfläche der Beschichtung und dem Stempel in jedem Fall einfach und effizient gewährleistet, ohne dass hierfür ein großer Messaufwand beim Positionieren der Abziehvorrichtung notwendig wäre.
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Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es außerdem vorsehen, dass die Stempel nach ihrer Positionierung auf der Oberfläche der Beschichtung bis zu einem Anschlag zwischen den Stempeln und dem Stempelhalter von dieser Oberfläche abgehoben werden, um einen definierten Spalt zur Verbindung der Stempel mit der Oberfläche der Beschichtung zu schaffen. Ein solches Abheben der Stempel in ihrem Stempelhalter bis zu einem vordefinierten Anschlag ermöglicht das Einrichten eines sehr exakten Spalts zwischen den Stempeln und der Oberfläche der Beschichtung. Dieser Spalt kann dann mit geeigneten Materialien gefüllt werden, um die Stempel an der Oberfläche der Beschichtung anzubringen, beispielsweise einem geeigneten Kleber, wobei selbstverständlich auch ein Löten denkbar ist. Insbesondere die exakte Spaltbreite, welche gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens insbesondere durch ein Anheben der Stempel mittels Magneten bis zu ihrem Anschlag erfolgen kann, ist jedoch für ein Kleben besonders gut geeignet. Die Spalte können dann nämlich einfach und effizient mit dem Kleber verfüllt werden, sodass sich eine exakt definierte Klebeschicht, welche letztlich von den Anschlägen zwischen den Stempeln und dem Stempelhalter abhängt und durch eine geeignete Wahl dieser Anschläge in der gewünschten Art und Weise eingestellt werden kann, ausbildet. Die Magnete werden dann nach dem Aushärten des Klebers wieder abgenommen.
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Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es außerdem vor, dass die Abziehvorrichtung den Stempel über einen am Stempel angebrachten, insbesondere angeschraubten Adapter greift, wobei dieser Adapter, in vorteilhafter Weise, wie oben bereits beschrieben, auch zur Positionierung der Positionsscheibe dient. Dieser Aufbau ist besonders einfach hinsichtlich der Tatsache, dass ein und dieselbe Abziehvorrichtung mit verschiedenen Stempeln verwendet werden kann, da potenziell unterschiedliche Formen und Durchmesser der Stempel durch den mit den Stempeln verbundenen Adapter an die jeweilige Abziehvorrichtung angepasst werden können.
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Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Haftzugprüfung auf gekrümmten Oberflächen, insbesondere beschichteten Innenflächen von Zylindern, da insbesondere auf solchen gekrümmten Oberflächen eine exakte Ausrichtung der Stempel typischerweise schwierig ist und deshalb durch die erfindungsgemäße Verwendung eines Stempelhalters sehr stark vereinfacht werden kann. Dementsprechend sieht die bevorzugte Verwendung den Einsatz des Verfahrens zur Haftzugprüfung auf gekrümmten Oberflächen, insbesondere beschichteten Innenflächen von Zylindern, vor. Insbesondere bei thermisch gespritzten, vorzugsweise durch Lichtbogendrahtspritzen aufgetragenen Schichten, beispielsweise auf den Innenflächen von Zylindern einer Brennkraftmaschine, ist eine möglichst exakte Kenntnis der Anhaftung der Schicht auf dem Substrat von entscheidendem Vorteil für die Bauteilentwicklung und Qualitätssicherung. Dementsprechend sieht es eine besonders bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Verwendung vor, dass das Verfahren zur Haftzugprüfung zur Prüfung einer Beschichtung, welche durch thermisches Spritzen aufgebracht ist, eingesetzt wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie seiner Verwendung ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
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1 eine Seitenansicht eines Stempels für die Haftzugprüfung;
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2 einen Stempelhalter in isometrischer Ansicht;
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3 eine Schnittansicht des Stempelhalters;
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4 eine prinzipmäßige Schnittdarstellung eines Stempelhalters mit eingesetzten Stempeln auf dem zu prüfenden Bauteil;
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5 eine Positionsscheibe in isometrischer Ansicht von unten;
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6 eine Schnittdarstellung der Positionsscheibe;
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7 eine Schnittdarstellung eines Adapters zur Verbindung mit dem Stempel; und
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8 eine angedeutete Abziehvorrichtung zusammen mit Positionsscheibe, Stempel und Adapter auf einem zu prüfenden Bauteil.
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In der Darstellung der 1 ist in einer Seitenansicht ein Stempel 1 für ein Verfahren zur Haftzugprüfung zu erkennen. Der Stempel 1 weist in seinem unteren Bereich eine Stempelfläche 2 auf, welche mit einer auf einem Substrat 8 aufgebrachten Beschichtung 9 verbunden werden kann. Seitlich an dem Stempel 1 befinden sich zwei Anschläge 3, auf deren Funktion später noch eingegangen wird. In dem in 1 oberen Bereich des Stempels 1 ist ein Gewinde 4 dargestellt, über welches der Stempel 1 beispielsweise mit einem später noch näher beschriebenen Adapter 18 verschraubt werden kann, um den Stempel 1 von der zu prüfenden Oberfläche abzuziehen.
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In der Darstellung der 2 ist in isometrischer Ansicht und in der Darstellung der 3 im Schnitt ein Stempelhalter 5 zu erkennen. Der Stempelhalter 5 soll für die Haftzugprüfung an einer gekrümmten Oberfläche, insbesondere der Innenfläche eines Zylinders, ausgebildet sein. In der Darstellung der 2 ist der Stempelhalter 5 von unten zu erkennen, wobei dieser Stempelhalter 5 vier einzelne mit 6 bezeichnete Öffnungen zur Aufnahme der Stempel 1 aufweist. Außerdem hat der Stempelhalter 5 zwei mit 7 bezeichnete Anlageflächen zur exakten Positionierung an dem zu prüfenden Bauteil. In dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel soll dieses Bauteil die Innenfläche eines Zylinders sein. Der Zylinder selbst bzw. sein Substrat ist in der Darstellung der 4 mit dem Bezugszeichen 8 bezeichnet, seine nicht näher dargestellte Oberfläche mit der Beschichtung trägt das Bezugszeichen 9. Die Anlageflächen 7 des Stempelhalters 5 sind so ausgebildet, dass sie in ihrer Krümmung zum Innendurchmesser des Zylinders passen und eine exakte Positionierung ermöglichen. An einem Ende des Stempelhalters 5, beispielsweise in der Darstellung der 2 hinten, kann außerdem ein Anschlag angeschraubt werden, um so den Stempelhalter 5 an einer Stirnseite des Substrats 8 des Zylinders anzuschlagen und so die einzelnen Stempel 1 exakt zu positionieren.
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Die einzelnen Stempel 1 sind in der Darstellung der 4 in den Stempelhalter 5 eingesetzt. Über aufgesetzte Magnete 10 werden die Stempel, welche aus magnetischem Material, wie beispielsweise einer Eisenlegierung, hergestellt sind, bis zu den Anschlägen 3 in Richtung des Stempelhalters 5 angehoben, wobei zwischen dem Magnet 10 und dem Stempel 1 ein mit 11 bezeichneter Spalt verbleibt, um eine sichere und zuverlässige Anlage ausschließlich im Bereich der Anschläge 3 mit dem Stempelhalter 5 zu erreichen. Hierdurch wird es möglich, dass ein Luftspalt 12 zwischen der Beschichtung 9 und der Stempelfläche 2 des Stempels 1 exakt abgebildet werden kann. Dieser Spalt 12 kann nun vorzugsweise mit einem Kleber gefüllt werden, sodass sich durch den beschriebenen Aufbau immer eine exakte Position der Stempel 1 gegenüber der Oberfläche der Beschichtung 9 ergibt und gleichzeitig eine exakt definierte Schichtdicke des Klebers zur Befestigung der Stempel 1 auf der Beschichtung 9 realisiert werden kann. Der Kleber kann anschließend beispielsweise in an sich bekannter Art und Weise thermisch, chemisch oder gegebenenfalls auch durch eine über UV-Licht inizierte Vernetzung ausgehärtet werden. Die Magnete 10 bleiben in ihrer Position, solange der Kleber aushärtet. Der Stempelhalter 5 kann danach kraftfrei von den mit der Beschichtung 9 verklebten Stempeln 1 abgehoben werden.
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Beim Aushärten des Klebers kann ein Kleberüberschuß über der Fläche des Stempels 1 an der Oberfläche der Beschichtung 9 entstehen. Dieser Kleberüberschuß soll entfernt werden, wenn eine definierte Abzugsfläche gewünscht ist. Zur Entfernung des Kleberüberschußes kann eine Nut an der Kontur des Stempels 1 angebracht werden, die am Gesamtumfang des Stempels 1 die Beschichtung 9 durchtrennt. Bei zylindrischen Stempeln 1 kann vorzugsweise eine ringförmige Nut, zum Beispiel durch Einsatz eines Rillensenkers, angebracht werden. Zur Erhöhung der Standzeit weist ein geeigneter Rillensenker vorzugsweise mindestens 5 Schneidzähne auf.
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In der Darstellung der 5 ist in isometrischer Ansicht von unten eine Positionsscheibe 13 zu erkennen. Diese Positionsscheibe 13, welche auch in der Darstellung der 6 nochmals zu erkennen ist, weist ähnlich dem Stempelhalter 5 zwei mit 14 bezeichnete Anlageflächen auf, welche in dem angesprochenen Ausführungsbeispiel wiederum exakt den Durchmesser der Zylinderbohrung aufweisen. Dies ist insbesondere in der Schnittdarstellung der 6 zu erkennen, da hier mit strichpunktierter Linie der Durchmesser bzw. Radius der Zylinderbohrung auch außerhalb der Anlageflächen 14 angedeutet ist. Zentral weist die Positionsschiebe 13 eine Bohrung 15 auf, welche so groß ausgebildet ist, dass der Stempel 1 mit ausreichendem Spiel durch diese Bohrung 15 hindurch abgezogen werden kann. Außerdem weist die Positionsscheibe 13 einen mit 16 bezeichneten Konus auf. Dieser mit 16 bezeichnete Konus wirkt nun mit einem Konus 17 eines in seiner Gesamtheit in der Schnittdarstellung der 7 erkennbaren Adapters 18 zusammen. Dieser Adapter 18 wird über ein Innengewinde 19 locker auf das Gewinde 4 des Stempels 1 aufgeschraubt. Die zuvor über den Stempel 1 gelegte Positionsscheibe 13 kommt dann mit ihrem Konus 16 zum Eingriff mit dem entsprechenden Gegenkonus 17 des Adapters 18. Hierdurch wird die Positionsscheibe 15 zentriert und gegenüber dem Stempel 1 positioniert, sodass eine Oberfläche 20 der Positionsscheibe 13 sicher und zuverlässig parallel zur Tangente im Mittelpunkt der Anlage des Stempels 1 bzw. seiner Stempelfläche 2 zu liegen kommt.
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In der Darstellung der 8 ist nun eine Abziehvorrichtung 21 angedeutet. Diese Abziehvorrichtung 21 wirkt mit dem Adapter 18 zusammen und kann den mit dem Adapter 18 verschraubten Stempel 1 von der Beschichtung 9 des Substrats 8 abziehen. Durch die Positionsscheibe 13 und das Abstützen der Abziehvorrichtung 21 über Stützelemente 22 auf der Oberfläche 20 der Positionsscheibe 13, ist dabei sichergestellt, dass die Stempel 1 exakt senkrecht nach oben abgezogen werden. Typischerweise wird die Abziehvorrichtung 21 nach dem Aufschrauben des Adapters 18, welcher zur Positionierung der Positionsscheibe 13 durch die zusammenwirkenden Koni 16, 17 nur leicht angelegt wird, verbunden. Nachdem eine Entriegelung betätigt ist, lässt sich über die Abziehvorrichtung 21 der jeweilige Stempel 1 definiert senkrecht zur Tangente seiner mittleren Anlagefläche nach oben abziehen und die dabei auftretenden Kräfte werden gemessen. Die auftretende Maximalkraft ist dann das Maß für die Haftfähigkeit der Beschichtung 9 am Substrat 8, wobei durch das beschriebene Verfahren und den beschriebenen Aufbau immer sichergestellt ist, dass reproduzierbare und zuverlässige Bedingungen für die Messung vorliegen.
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Der Aufbau lässt sich selbstverständlich auch auf andersartigen gekrümmten oder auch ebenen Oberflächen einsetzen. Hierfür müssen lediglich die entsprechenden Anlageflächen 7, 14 des Stempelhalters 5 und der Positionsscheibe 13 angepasst werden, was für den Fachmann eine einfache Maßnahme ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013013161 A1 [0003]
