DE4301622C1 - Vorrichtung zur Untersuchung des Gefügezustandes - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Untersuchung des Gefügezu
standes einer Probe aus metallischen Werkstoffen mit mindestens einem
Ultraschallwandler, mit dem oder mit denen eine transversale Ultraschall
welle ohne Koppelmittel erzeugbar und empfangbar ist.
Solche Vorrichtungen können bei der Qualitätskontrolle von stranggepreß
ten pulvermetallurgischen Werkstoffen eingesetzt werden. Die Halbzeug
fertigung hochwertiger metallischer Legierungen erfolgt insbesondere auf
einem solchen pulvermetallurgischem Wege. Dabei wird das Ausgangspul
ver in einem Stahlmantel durch Strangpressen verdichtet und konsolidiert
Über einen anschließenden Rekristallisationsprozeß wird der Werkstoff in
einen vorbestimmten gewünschten Gefügezustand gebracht, der ein grobes
und möglichst langgestrecktes Korn aufweist.
Die zerstörungsfreie Feststellung des erreichten Gefüges gestattet eine
ohne Probenentnahme durchführbare, schnelle Qualitätskontrolle. Es ist
bekannt, daß bei einem Einschallen von Ultraschall-Transversalwellen in
einen Polykristall mit anisotropem Gefüge eine Abhängigkeit der Schall
geschwindigkeit der Ultraschallwellen von der Einschallrichtung und der
Polarisationsrichtung besteht. Ferner ist aus dem Artikel "Relationship
between elastic anisotropy and texture in metal-matrix composites" von
M. Spies und K. Salama aus der Zeitschrift Ultrasonics Vol. 28, Seiten 370
bis 374 (1990) ein Verfahren bekannt, welches es ermöglicht, durch Mes
sungen mit piezoelektrischen Ultraschallwandlern an quaderförmigen
Proben mit planparallelen Oberflächen eine Aussage über die Gefüge-
Anisotropie des Werkstoffes zu machen.
Dieses Verfahren weist jedoch den Nachteil auf, daß die Oberflächenbe
schaffenheit des Hüllmaterials, insbesondere seine Rauheit und seine Ver
zunderung, eine ausreichende Schallankopplung verhindert Ferner ist
keine Messung am bewegten Strangpreß-Halbzeug möglich, da die einzu
schallende Transversalwelle die Übertragung von Scherkräften, d. h. Schall
übertragung über ein hochviskoses Koppelmedium, erfordert. Außerdem
tritt der Nachteil auf, daß die Materialtemperatur des Halbzeugs unmittel
bar nach der Fertigung noch mehrere 100 Grad beträgt und eine solche
Temperatur den Einsatz von piezoelektrischen Ultraschallwandlern nicht
gestattet. Daher muß sich der Einsatz des bekannten Verfahrens auf ent
nommene und speziell zur Messung vorbereitete Proben beschränken, ist
also nicht im strengen Sinne zerstörungsfrei.
Aus der DE 36 29 174 A1 sind Einrichtungen zum Messen der Wanddicke
von Rohren bekannt, die bei noch heißem Rohrmaterial eingesetzt werden
können. Ihr Vorteil gegenüber anderen elektromagnetischen Ultraschall
wandlern besteht darin, daß durch das vollständige Umgeben des Rohrs
mit den Schallwandlern die Dickenprüfung im wesentlichen unabhängig
von einer Abstandsjustierung der Probe bezüglich der jeweiligen Ein
richtung ist. Eine Gefügemessung zur Ermittlung der Anisotropie einer
Probe ist damit nicht möglich.
In der US 4,167,878 ist eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung von
Prüflingen beschrieben, die längs einer Ultraschallsonde und einer in dieser
eingebetteten Wirbelstromsonde vorbeigeführt werden, wobei eine Anre
gungsspule hinter der Sondenkombination angeordnet ist. Damit ist eine
gemeinsame Wirbelstrom- und Ultraschallmessung möglich, jedoch keine
Bewertung der Anisotropie der Probe.
Die DE 31 28 825 C2 lehrt eine in ihrer Funktion dazu ähnliche Vor
richtung zur zerstörungsfreien Prüfung von ferromagnetischen Rohren oder
Stangen, bei der ein zwei Polschuhe aufweisender Magnet zusammen mit
Ultraschallwandlern um den Prüfling rotiert. Dabei können die Ultraschall
wandler auch in einem Winkel von 90 Grad zu den Polschuhen angeordnet
werden, so daß gleichzeitig zur Streuflußmessung auch Ultraschallwellen
mit Hilfe des rotierenden Magneten angeregt werden können.
Die DE 41 16 208 A1 beschreibt ein weiteres Verfahren zur zerstörungs
freien Werkstoffprüfung, bei dem unmittelbar am zu prüfenden Bauteil
selber gemessen werden soll. Hierbei wird eine Ultraschallgeschwindig
keitsmessung, für die auch Ultraschallköpfe eingesetzt werden können, mit
denen Transversalwellen erzeugbar sind, und eine Koerzitivfeldstärkemes
sung zusammen durchgeführt, wobei der Prüfkopf zwischen zwei Magneti
sierungsspulen längs eines Werkstückes angeordnet ist.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die es
während des Fertigungsprozesses gestattet, den Gefügezustand des noch
heißen Halbzeuges zu bewerten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß für eine Vorrichtung gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß mindestens zwei elektromagnetische Ul
traschallwandler vorgesehen sind, mit denen jeweils eine linear polarisierte
transversale Ultraschallwelle erzeugbar ist, deren jeweilige Polarisations
richtungen in einem Winkel zueinander stehen, wobei die Ultraschall
wandler dergestalt angeordnet sind, daß diese Ultraschallwellen im wesent
lichen am selben Ort mit derselben Ausbreitungsrichtung senkrecht zur
Oberfläche in die Probe eingestrahlt und im wesentlichen an einem selben
Ort empfangen werden.
Durch den Einsatz von elektromagnetischen Ultraschallwandlern ist ein
berührungsunabhängiges Messen möglich, so daß auch ein mehrere 100
Grad Celsius heißes Werkstück beschallt werden kann. Die Anwesenheit
des insbesondere ferritischen Stahlmantels und die Verzunderung wirken
sich günstig auf das mit Hilfe der elektromagnetischen Ultraschallwandlung
erzielbare Signal/Rausch-Verhältnis aus. Durch die fortlaufende Erfassung
des jeweiligen Gefügezustandes während des Herstellungsprozesses kann
die Rekristallisation von pulvermetallurgisch hergestellten, stranggepreßten
Legierungen kontinuierlich überwacht werden. Die dabei gewonnenen Daten
können im Fall des Auftretens von Unregelmäßigkeiten während der Her
stellung einerseits zum Abbruch der Herstellung und damit zum Zeitge
winn und zur Energieeinsparung durch Vermeidung zusätzlicher Bearbei
tungsschritte und andererseits zur Prozeßsteuerung selber eingesetzt
werden.
Es wird also bei der Vorrichtung zur Erfassung des Gefügezustandes der
Umstand ausgenutzt, daß sich der vor der Rekristallisation isotrope Gefü
gezustand durch die Rekristallisation in einen hochgradig anisotropen
Zustand mit ausgeprägter Textur umwandelt. Die dabei entstehenden
Änderungen der Ultraschallgeschwindigkeit bewegen sich im Prozentbe
reich, die einfach nachzuweisen sind.
Vorteilhafterweise werden die Hochfrequenzspulen der Wandler so an
geordnet, daß ihre Wicklungsrichtungen einen Winkel von 90° miteinander
bilden und demzufolge die Polarisationsrichtungen der erzeugten Ultra
schallwellen rechtwinklig aufeinander stehen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter
ansprüchen gekennzeichnet.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine vereinfachte Seitenansicht einer Vorrichtung gemäß
einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 2 eine vereinfachte Unteransicht der Vorrichtung nach Fig. 1,
Fig. 3 eine Unteransicht und eine Seitenansicht eines Sende- und
Empfangswandlers gemäß Fig. 1, und
Fig. 4 eine vereinfachte Seitenansicht einer Vorrichtung gemäß
einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Fig. 1 und 4 zeigen zwei Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen
gemäß der Erfindung zur Durchführung eines Durchschallungs- bzw. eines
Impuls-Echo-Verfahrens.
Die Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels zum
Einsatz eines Impuls-Echo-Verfahrens.
Eine Probe metallischen Materials ist in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugs
zeichen 1 versehen. Die Probe 1 besteht aus einer stranggepreßten Legie
rung, die in einer Hülle angeordnet ist, die zum Beispiel aus ferritischem
Material besteht. Die Achse 2 der Probe 1 gibt gleichzeitig die Vorschub
richtung der Probe 1 im Fertigungslauf an.
Die Vorrichtung zur Untersuchung des Gefügezustandes ist auf die Stan
genoberfläche 3 der Probe 1 aufgesetzt oder in einem kleinen Abstand zu
dieser angeordnet. Diese ist insgesamt mit dem Bezugszeichen 4 versehen.
Die Vorrichtung 4 besteht aus einem E-förmigen Joch 5 eines Elektroma
gneten, dessen Spule 6 um den Mittelpolschuh 7 herumgewunden ist. Die
seitlichen Jochenden 17 setzen direkt oder über eine Verschleißschutz
schicht auf der Stangenoberfläche 3 auf. Der Mittelpolschuh 7 selbst ist
etwas kürzer als die Jochenden 17 ausgestaltet und gestattet die Ausbildung
eines Hohlraums 8 zwischen diesem und der Stangenoberfläche 3. In
diesen Hohlraum 8 sind zwei Ultraschallwandler 9 und 19 übereinander
eingesetzt. Die Ultraschallwandler 9 und 19 sind vorzugsweise in iden
tischer Weise aufgebaut, wobei sie bezüglich der Symmetrieachse 10 des
Magneten 4 gegeneinander verdreht angeordnet sind, wobei vorteilhafter
weise die Ultraschallwandler 9 und 19 gegeneinander um einen Winkel von
90° verdreht sind.
Mit Hilfe des Elektromagneten 4 wird zwischen den Polen ein Magnetfeld
erzeugt, das im Bereich des Hohlraums 8 senkrecht zur Stangenoberfläche
3 und damit parallel zu der Achse 10 ausgerichtet ist und diese Stangen
oberfläche 3 durchdringt. Damit werden mit Hilfe der Ultraschallwandler 9
und 19 zwei, entsprechend zwei unterschiedlichen Gefügeachsen ausgerich
tete, transversale, linear polarisierte Ultraschallwellen in die Probe 1
eingestrahlt. Diese werden, wie aus der übereinander vorgesehenen Anord
nung der Ultraschallwandler 9 und 19 hervorgeht, im wesentlichen am
selben Ort, nämlich um die Achse 10 herum, eingestrahlt. Damit ergibt sich
für beide linear polarisierte Wellen der jeweils gleiche Laufweg.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wirken die Ultraschallwandler 9
und 19 ebenfalls als Empfangswandler, so daß zurücklaufende Schallwellen
im Impuls-Echo-Verfahren aufgenommen werden.
Durch den anisotropen Gefügezustand, der sich durch gestreckte lange
Körner im Gefüge der Probe 1 auszeichnet, werden sich die beiden linear
polarisierten, transversal eingestrahlten Ultraschallwellen mit unterschiedli
cher Ausbreitungsgeschwindigkeit durch die Probe 1 bewegen. Damit ergibt
sich eine Laufzeitdifferenz bei zeitgleich am selben Ort eingeschallten
Ultraschallwellen, aus der in direkter Weise auf die Geschwindigkeits
differenz geschlossen werden kann, die ein Maß für die Anisotropie der
Probe 1 ist. Es ist also mit beiden Ultraschallwandlern 9 und 19 die
Ultraschallaufzeit über die Probendicke erfaßt und die Tatsache benutzt,
daß die Laufzeitdifferenz bezogen auf die Gesamtlaufzeit insbesondere
laufwegunabhängig ist.
Damit ist es möglich, die Probe 1 bei ihrer Fortbewegung im Fertigungs
prozeß entlang der Achse 2 kontinuierlich durchzumessen und somit noch
während der Fertigung die Qualität der Probe zu beurteilen. Sollten die
gefundenen Ergebnisse nicht in eine Steuerung der Prozeßparameter
einfließen, so ist es möglich, die Herstellung der jeweils gerade unter
suchten Stange zu beenden und so weitere zeit- und kostenintensive
Bearbeitungsschritte einer qualitativ nicht weiterverwendbaren Stange zu
vermeiden.
Die Fig. 2 zeigt eine in ihrer Darstellung ebenfalls vereinfachte Unter
ansicht der Vorrichtung nach Fig. 1. Gleiche Merkmale sind in allen
Zeichnungen mit gleichen Bezugszeichen versehen. Von der Unterseite,
d. h. von der Stangenoberfläche 3 aus gesehen, ist das E-förmige Joch 5 zu
erkennen, unter dessen Mittelpolschuh 7 die beiden Ultraschallwandler 9
und 19 angeordnet sind. Diese bestehen aus den wirksamen Sendespulen
windungen 12 bzw. Empfangsspulenwindungen 13 und den weiter vom
Werkstück abgehobenen Rückführungen 11.
Diese sind besser in der Fig. 3 zu erkennen, die eine Unteransicht und eine
Seitenansicht eines einzigen Sende- und Empfangswandlers 9 gemäß Fig. 1
zeigt. Genauer gesagt besteht ein Sende- und Empfangswandler 9 beispiels
weise aus zwei ineinander angeordneten Spulensystemen 12 und 13, wobei
mit dem Bezugszeichen 12 eine Abfolge von Sendespulenwindungen und
mit dem Bezugszeichen 13 eine Abfolge von Empfangsspulenwindungen
bezeichnet sind. Diese jeweils parallel verlaufenden Windungen, die
rechtwinklig zu dem Magnetfeld entsprechend der Achse 10 und rechtwink
lig zu der Stangenachse 2 angeordnet sind, gestatten die Erzeugung einer
linear polarisierten transversalen Ultraschallwelle.
Mit einem Rückblick auf die Fig 2 ist zu erkennen, daß die Spulenwindun
gen des Ultraschallwandlers 19 ebenfalls rechtwinklig zu dem Magnetfeld
entsprechend der Achse 10, aber in einem Winkel von 90° zu dem Wandler
9 verdreht, und damit in Richtung der Stangenachse 2, angeordnet sind.
Somit werden durch die Spulenelemente 9 und 19 die beiden rechtwinklig
zueinander polarisierten Ultraschallwellen erzeugt, mit denen der Gefüge
zustand in zwei unterschiedlichen Richtungen entlang der gleichen Achse
abgetastet werden kann.
Die Fig. 4 schließlich zeigt eine Seitenansicht einer Vorrichtung gemäß
einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hier ist auf beiden
Seiten der Probe 1 ein Elektromagnet 4 bzw. 14 angeordnet, unter dessen
Mittelpolschuh 7 auf der einen Seite ein Ultraschallwandler 29 zur Erzeu
gung der einen polarisierten Ultraschallwelle und auf der anderen Seite ein
Ultraschallwandler 49 zum Empfang der besagten polarisierten Ultra
schallwelle angeordnet ist. Dieselbe Anordnung ist entsprechend für die
zweiten, gegenüber den genannten ersten Ultraschallwandlern 29 und 49 um
die Achse 10 gedrehten Ultraschallwandler 39 und 59 vorgesehen, wobei
sich vorteilhafterweise beide Sendewandler 29 und 39 auf derselben Seite
der Stange der Probe 1 befinden sollten, so daß jeweils derselbe Ein
schallort gewährleistet ist. Bei dieser Vorrichtung gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel werden die Schallsignale entsprechend einem Ver
fahren der Impuls-Durchschallung aufgefangen und verarbeitet.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung sind in den Zeich
nungen nicht dargestellte Kühlmittel vorgesehen, die ein Heranführen der
Vorrichtung an die noch heiße Probe 1 bei Temperaturen von bis zu 650°
Celsius gestatten.
Die Durchführung der Messung unmittelbar im Anschluß an den Rekristal
lisationsprozeß erlaubt es, im Falle von Abweichungen vom angestrebten
Rekristallisationszustand rückkoppelnd in den Prozeß einzugreifen.
Bei der Erfindung wird dabei ausgenutzt, daß der Grad des angestrebten
Rekristallisationszustandes aus der Ultraschall-Geschwindigkeitsdifferenz
senkrecht zueinander polarisierter Transversalwellen abgeleitet werden
kann, die sich durch die Ausbildung eines hochgradig anisotropen Gefüge
zustandes mit ausgeprägter Textur ergibt. Dabei ist sowohl bei einer Impuls-
Durchschallung als auch bei einer Impuls-Echo-Messung an Stangenmate
rial mit senkrecht zur Stangenrichtung eingeschallten Transversalwellen die
Geschwindigkeitsdifferenz zwischen senkrecht zueinander polarisierten
Transversalwellen auf die Messung der Laufzeitdifferenz zurückführbar, da
die am selben Ort eingeschallten Wellen denselben Laufweg zurücklegen.
Durch die Verwendung von elektromagnetischen Ultraschallwandlern wird
die Reproduzierbarkeit der Ultraschallwandlung durch die rauhe ver
zunderte Oberfläche des Mantelmaterials nur unerheblich beeinflußt,
wobei das zu prüfende Werkstück zusätzlich während der Messung kon
tinuierlich an den Wandlern vorbeigezogen werden kann. Dabei werden
vorteilhafterweise zwei Paare von Hochfrequenz-Sende- und Empfangs
spulen 12 und 13 kreuzweise in einem Magnetfeld angeordnet, so daß zwei
im Winkel zueinander polarisierte Transversalwellen ohne eine Drehung
der Wandler am selben Ort eingeschallt und empfangen werden können.
Claims (3)
1. Vorrichtung zur Untersuchung des Gefügezustandes einer Probe (1)
aus metallischen Werkstoffen mit mindestens einem Ultraschallwandler (9,
19, 29, 39, 49, 59), mit dem oder mit denen eine transversale Ultraschall
welle ohne Koppelmittel erzeugbar und empfangbar ist, dadurch
gekennzeichnet, daß mindestens zwei elektromagnetische Ultra
schallwandler (9, 19; 29, 39, 49, 59) vorgesehen sind, mit denen jeweils eine
linear polarisierte transversale Ultraschallwelle erzeugbar ist, deren jeweili
ge Polarisationsrichtungen in einem Winkel zueinander stehen, wobei die
Ultraschallwandler (9, 19; 29, 39, 49, 59) dergestalt angeordnet sind, daß
diese Ultraschallwellen im wesentlichen am selben Ort mit derselben Aus
breitungsrichtung (10) in die Probe (1) eingestrahlt und im wesentlichen an
einem selben Ort empfangen werden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Winkel zwischen den Polarisationsrichtungen der Ultraschallwellen 90°
beträgt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Hochfrequenz-Spulen (12, 13) der Ultraschallwandler
kreuzweise übereinander angeordnet sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4301622A DE4301622C1 (de) | 1993-01-22 | 1993-01-22 | Vorrichtung zur Untersuchung des Gefügezustandes |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE4301622A DE4301622C1 (de) | 1993-01-22 | 1993-01-22 | Vorrichtung zur Untersuchung des Gefügezustandes |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4301622C1 true DE4301622C1 (de) | 1994-02-24 |
Family
ID=6478681
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE4301622A Expired - Lifetime DE4301622C1 (de) | 1993-01-22 | 1993-01-22 | Vorrichtung zur Untersuchung des Gefügezustandes |
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