Q NET Engineering GmbH
Härti P3121
Rht-Ultraschall-Prüfgerät zur Härtetiefenprüfung wärmebehandelter Teile
Inhaltsverzeichnis
- Situation
- Lösung
- Informationen zum Verfahrensprinzip
- Vorteile
- Anwendungen
- Systembeschreibung
- Teilautomatisierte Systeme und Handhabungseinrichtungen
Situation
Durch das Randschichthärten werden der Verschleißwiderstand und die Dauerschwingfestigkeit dynamisch beanspruchter Bauteile verbessert. Diese Gebrauchseigenschaften werden vor allem durch die Oberflächenhärte, die Einhärtetiefe und den Eigenspannungstiefenverlauf festgelegt. Ein wesentliches Qualitätsmerkmal beim Randschichthärten ist die Dicke der gehärteten Schicht (Rht). Eine Qualitätsabsicherung des Härteprozesses ist derzeit nur stichprobenartig unter Verwendung zerstörender Methoden mit entsprechend hohem Zeit- und Kostenaufwand möglich.
Lösung
Das Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren (IZFP) entwickelte ein
Ultraschall-Verfahren,
das schnell und zerstörungsfrei die Rht misst. Der Prüfaufwand wird bei gleichzeitiger Kostenreduktion gesenkt und eine
schnelle Fertigungskontrolle ermöglicht, wodurch ein gleichbleibend hohes Qualitätsniveau gesichert wird.
Das Prüfsystem wird zur Optimierung von Fertigungsparametern, zur Reduzierung der Stillstandszeiten nach Induktorwechsel,
zur schnellen Fertigungsüberwachung und im Qualitätswesen eingesetzt.
- Abbildung 1: Rht-Prüfgerät "Härti" P3121, Notebook-Version
Informationen zum Verfahrensprinzip
Ultraschallwellen werden überall dort gestreut, wo sich die Dichte und/oder die elastischen Materialeigenschaften in einem begrenzten Bauteilbereich innerhalb des Schallstrahles verändern. Die Schallwellen werden im Allgemeinen in alle Richtungen gestreut, ein Teil auch zurück zum Ultraschallprüfkopf. Der Effekt, also die Größe der gestreuten und auch der rückgestreuten Schallenergie hängt zum Einen von der Veränderung der Dichte und/oder der elastischen Materialeigenschaften im Volumenbereich und zum Anderen vom Verhältnis der geometrischen Größe dieses Volumenbereiches (Streuers) zur Ultraschallwellenlänge ab .
Durch Anpassung der Ultraschallwellenlänge, d.h. durch Anpassen der Ultraschallfrequenz, wird die Stärke der Ultraschallrückstreuung beeinflusst. Sind die mittleren Korngrößen klein im Vergleich zur Ultraschallwellenlänge, ist die Streuung gering; bei größeren Körnern wird der Effekt stärker bis es schließlich an Körnern, die viel größer als die Wellenlänge sind, zur Schallreflexion kommt.
Bei der Bestimmung von Randhärtungstiefen (Rht) nutzt man die Rückstreuung der Ultraschallwellen an den Körnern des Grundmaterials (siehe Abbildung 2). Die Ultraschallfrequenz und damit die Wellenlänge ist so eingestellt, dass das Gefüge in der gehärteten oberflächennahen Zone nur vernachlässigbar geringe Streuung verursacht. Beim Übergang des Schallpulses in das Grundmaterial mit der ausgeprägten Kornstruktur (siehe Abbildung 3) wird aber signifikant Streuung verursacht. Aus der Zeit, die der Schallimpuls benötigt, um von der Bauteiloberfläche bis zu der Stelle an der Streuung verursacht wird zu laufen, ergibt sich die Dicke der gehärteten Schicht.
- Abbildung 2: Prinzip des Ultraschall-Rückstreuverfahrens
Damit ist klar: Die mittels Ultraschallrückstreuung bestimmte Rht ist nicht notwendigerweise identisch mit dem Rht-Wert, der metallographisch und/oder mittels Mikrohärtemessung und/oder mit irgendeinem anderen etablierten Verfahren bestimmt wird. Ebenso klar ist aber auch, dass es in vielen Fällen eine gute Korrelation geben wird zwischen dem Ultraschall-Rht-Wert und dem Vergleichswert, denn beide Tiefen, die Tiefenlage des Grundgefüges und die mit etablierten Verfahren bestimmte Rht werden von den Prozessparametern des Härtens beeinflusst.
Die besten Resultate werden unter folgenden Bedingungen erreicht:
- die zu prüfenden Teile sind induktiv gehärtet;
- Prüflinge sind geschmiedet, nicht gegossen;
- die kleinste zu messende Härtetiefe beträgt ca. 1,5mm, im manchen Fällen auch kleiner;
- martensitisches Material und Grundwerkstoff grenzen möglichst übergangslos aneinander, es gibt kein Zwischengefüge;
- die Korngröße des Grundmaterials reicht aus, um eine gute Rückstreuung von Transversalwellen mit einer Frequenz von 15 MHz zu erhalten.
- Abbildung 3: Übergang zwischen gehärteten Bereich und Grundgefüge
Vorteile
- Messsystem ist in den Fertigungsprozess zu integrieren
- hohe Messgenauigkeit
- Dauer für eine Messung liegt im Sekundenbereich
- schnelle Prüfung großer Stückzahlen
- über geeignete Sensoranpassung lassen sich Messungen auch an Radien durchführen
- das Gerät ist tragbar (8 kg) und für den mobilen Einsatz geeignet
- das System ist leicht an kunddenspezifische Anforderungen anzupassen
Anwendungen
Folgende Abbildung zeigt einige typische Anwendungen des Rht-Prüfgeräts:
- Abbildung 4: Anwendungen
Systembeschreibung
- Industrietauglicher Notebook Computer
- 4 Messkanäle / Multi-Parametersensorik
- Prüffrequenz: 5-30 MHz
- Akku- und Netzbetrieb
- Software / Betriebssystem
- Windows NT TM
- modularer Hardwareaufbau
- modularer Softwareaufbau:
Prüfplanung, Prüfung und Datenexport. Der durchgängige Einsatz von Datenbanken für die Prüfplanungsdaten bzw. die Prüfdaten ermöglicht die Datenhaltung bzw. den Zugriff über ein angeschlossenes Firmennetz. Über den in der Software implementierten Reportgenerator kann der Kunde interaktiv eigene Druckvorlagen erstellen - zusätzliche Gerätetypen:
Stationäre Sonderprüfmachine; Tischversion mit skalierbarer Hardware
Teilautomatisierte Systeme und Handhabungseinrichtungen
Das Härtetiefenprüfsystem Härti P3121 kann nach Kundenwunsch auch als Desktop-Version oder als stationäres System mit einer Handhabungseinrichtung geliefert werden. Zudem sind teilautomatisierte Systeme lieferbar (siehe Abbildung 5):
- Abbildung 5: Handhabungseinrichtungen und teilautomatisierte Systeme (Quelle: IZFP)
Ansprechpartner
Yvan LejeunePhone: +49 (0) 6 81/9 76 71 53
Fax: +49 (0) 6 81/9 76 71 58