Stresstech Bulletin 3
Text: Murat Deveci, figures: Stresstech
Zu den bewährten Methoden zur Erkennung von Schleifschäden gehören visuelle Inspektion nach Nitalätzung, Mikrohärtemessung sowie die röntgenografische Ermittlung von Eigenspannungstiefenprofilen (XRD). Diese Methoden haben alle einen oder mehrere Nachteile, wie zum Beispiel Kosten, Zeitaufwand, Komplexität, Subjektivität oder die Verwendung von gesundheits- und umweltgefährdenden Chemikalien.
Vergleich der Methoden zur Detektion von Schleifbrand
| Eigenschaf | BHR | Nitalätzung | Mikrohärte | XRD |
|---|---|---|---|---|
| Zerstörungsfrei | Ja | Nein* | Nein | Ja (Nein**) |
| Verwendung von Chemikalilen | Nein | Ja | Nein | Nein (Ja**) |
| Automatisierbar | Ja | Nein | Nein | Ja |
| Zuverlässig | Ja | Nein | Nein | Ja |
| Prüfung durch Beschichtungen | Ja | Nein | Nein | Nein (Ja**) |
| Gefahr der Wasserstoffversprödung | Nein | Ja | Nein | Nein |
| Sensitiv auf Eigenspannungen und Mikrostruktur | Ja | Nein | Nein | Ja |
| Zeitaufwendig | Nein | Ja | Ja | Ja |
** Zerstörungsfrei an der Oberfläche, bei Tiefenprofilen muss Material abgetragen werden
*** Abhängig von der Dicke der Schicht
Nitalätzung und Mikrohärteprüfung können nur schwere Schleifschäden erkennen. Weitere Herausforderungen bestehen bei der Rückverfolgbarkeit sowie der Reproduzierbarkeit.
Es sei erwähnt, dass eine Schleifschädigung bzw. ein Schleifbrand eine thermomechanische Schädigung ist, bei der sowohl die Temperatur als auch die mechanische Belastung während des Bearbeitungsvorganges zu einer ungewünschten Gefügeumwandlung führen.
Es gibt auch tribologische Ursachen für eine Schleifschädigung. Selbst bei niedrigen Temperaturen kann es zu enormen Eigenspannungen kommen. Ursache hierfür ist ausschließlich die mechanische Belastung der Oberfläche durch die Schleifscheibe. Diese Schädigungen können nicht zerstörungsfrei mit Nitalätzung erkannt werden.
Betrachtet man die durch den Schleifprozess veränderten Eigenspannungen, so treten die Spannungsspitzen in der Regel zwischen 10 – 50 µm unterhalb der Oberfläche auf.
Das Barkhausenrauschen erüllt alle Voraussetzungen, um diese Effekte und Schädigungen zu detektieren. Es ist zuverlässig, in der Industrie etabliert und zerstörungsfrei. Zusammen mit einer geometrischen Prüfung, Härtemessung und regelmäßigen Untersuchungen mittels Metallografie, komplettiert die Analyse mit Barkhausenrauschen die Qualitätssicherung.
Schleifschädigungen vs. Temperatur
| Temperatur | Härte | Eigenspannungen | Ergebnis der Nitalätzung |
|---|---|---|---|
| 100℃ – 150℃ | Keine Änderung | Erzeugung von Zugeigenspannung | Keine Anzeige |
| 150℃ – 350℃ | Abnahme der Härte | Erzeugung von Zugeigenspannung | Graue Anzeige |
| 350℃ – Austenitisierungstemperatur | Abnahme der Härte | Erzeugung von Zugeigenspannung | Dunkelgraue bis schwarze Anzeige |
| Über Austenitisierungstemperatur | Erhöhung der Härte | Erzeugung von Druckeigenspannung | Weiße Anzeige |
Case Study
Bei einem Hersteller von Zahnrädern für den Automotive-Bereich werden einsatzgehärtete Zahnräder mit einem Schleifprozess endbearbeitet. Zur Qualitätskontrolle des Schleifprozesses wurde das Nitalätzen verwendet. Die geätzten Teile durften nicht weiter verwendet werden und mussten als Ausschuss entsorgt werden. Die durch die Nitalätzung erzeugten hohen laufenden Kosten sowie der hohe Anteil an Ausschuss motivierte den Hersteller, sich nach einer anderen, zerstörungsfreien Methode zur Qualitätskontrolle umzusehen.
Es wurde zunächst in einer Korrelationsstudie untersucht, ob das Barkhausenrauschen die geforderte Sensitivität aufweist.
Es wurden mehrere Zähne mit unterschiedlichen Zustellungen und Kühlschmierstofffließraten geschliffen und anschließend mit Barkhausenrauschen und Nitalätzung untersucht. Zusätzlich wurden Eigenspannungs-Tiefenprofile an den Stellen erstellt, bei denen die Anzeige des Barkhausenrauschens am höchsten war.
Der Zahnradhersteller fand eine starke Korrelation zwischen den Eigenspannungszuständen und dem Barkhausenrauschen.
Das Fazit der Untersuchung ist, dass der Hersteller seine Prüfung mittels Nitalätzung durch eine Prüfung per Barkhausenrauschen ersetzte.
Die Analyse mittels Barkhausenrauschen ist der Schlüssel zu qualitativ hochwertigen und langlebigen Produkten. Sprechen Sie uns gern an, wenn Sie mehr über die Qualitätssicherung Ihrer Produkte erfahren möchten.