DD285534A7 - Chemisches messverfahren zur einschaetzung der physikalisch-chemischen oberflaechenbeschaffenheit metallischer werkstoffe - Google Patents

Chemisches messverfahren zur einschaetzung der physikalisch-chemischen oberflaechenbeschaffenheit metallischer werkstoffe Download PDF

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Ulrich Fischer
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Technische Universitaet Karl-Marx-Stadt,Dd
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein chemisches Meszverfahren zur Einschaetzung der physikalisch-chemischen Oberflaechenbeschaffenheit metallischer Werkstoffe, die auf irgendeine Art und Weise (z. B. mechanisch durch spanende Bearbeitung) beansprucht worden sind. Waehrend es das Ziel der Erfindung ist, mit geringem technischen Aufwand den physikalisch-chemischen Zustand der Oberflaeche einzuschaetzen, um daraus die effektivsten, materialsparendsten und zur Erzielung einer hohen Erzeugnisqualitaet besten Technologien hinsichtlich des weiteren Einsatzes dieser Bauteile bezueglich Korrosion, Verschleisz, Beizverhalten, Haftbarkeit aufgebrachter Schichten, Schweisz- und Loetbarkeit u. ae. festzulegen, besteht deren Aufgabe darin, mit einer einzigen Meszmethode die Oberflaeche hinsichtlich ihrer Gebrauchswerteigenschaften komplex einzuschaetzen bzw. die Technologie fuer weitere Berarbeitungsschritte zu optimieren. Erfindungsgemaesz wird von der zu untersuchenden Oberflaeche durch das zeitliche Verfolgen des Loeseverhaltens in einer Elektrolytloesung die Reaktionsschichtdicke ermittelt und aus der Groesze dieses Wertes nach entsprechender Eichung auf physikalisch-chemische Eigenschaften geschlossen.{Metallbearbeitung; Metalloberflaeche; Werkstoffpruefung, chemische; Analyse; Oberflaechenbeschaffenheit, physikalisch-chemische; Mikrohaerte; Beizverhalten; Korrosion; Fehlstellendichte; Schichten; Haftung; Schweiszbarkeit; Loetbarkeit}

Description

des in Lösung gehenden Metalls die Metallmenge zu dem Zeitpunkt ermittelt wird, bei dem nach einem anfänglichen Anstieg der Lösegeschwindigkeit und einer danach folgenden Stagnation oder Verringerung derselben die Lösegeschwindigkeit wieder stark ansteigt. Aus der ermittelten Metallmenge kann unter Annahme eines ebenmäßigen Abtrages die Dicke der oxidischen Reaktionsschicht berechnet werden.
Als Elektrolyt wird zum Beispiel eine Lösung des Dinatriumsalzesder Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA) verwendet. Zur Erhöhung der Präzision der Messung wird in Abhängigkeit vom Werkstoff und der Art der voranrj<»£ie'igenen mechanischen Beanspruchung ein pH-Wert eingestellt, bei dem die Lösekurve die günstigste Auswerteform hat. Die vorherige Kenntnis der Größenordnung der Reaktionsschichtdicke verringert dabei den Untersuchungsaufwand. So ist z. B. für gedrehte, unlegierte Stähle (Schichtdicke 0,1 ...0,4Mm) ein pH-Wert von 4 am besten.
Bei der Untersuchung des Löseverhaltens spanend bearbeiteter metallischer Oberflächen in Komplexbildnerlösungen verschiedener pH-Werte, aber auch in Säuren bzw. Inhibitorhaitigen Säuren, wurde überraschend festgestellt, daß beim zeitlichen Erfassen des in Lösung gehenden Metalls charakteristische Kurven erstellbar sind, aus deren Verlauf die oxidische Reaktionsschichtdicke abgeschätzt werden kann. Die Lösegeschwindigkeit steigt zunächst an, erreicht auf niedrigem Niveau relativ konstante Werte und steigt dann nach Ablösen der oxidischen Reaktionsschicht wieder stärker an. Als Reaktionsschicht ist dabei die durch Zufuhr von Energie (z. B. thermisch, mechanisch) entstandene äußere oxidische Schicht zu verstehen, die z. B. beim Spanen von Stählen eine Dicke zwischen 0,1 und 0,5Mm erreicht.
Die lokale Lösegeschwindigkeit spiegelt trotz Verwendung unterschiedlicher abtragender Elektrolyte die Störstellenintensität und damit die Struktur der Randzone wider. Andere chemische Parallel- oder Folgereaktionen wirken sich überraschenderweise ebenso wie die Rauheit der Oberfläche nicht dominierend auf die Lösegeschwindigkeit aus.
Es wurde weiterhin überraschend festgestellt, daß die Dicke dieser.Schicht mit den verschiedensten physikalisch-chemischen Eigenschaften der Oberflächenrandschicht korrespondiert, wiez. B. Mikrohärte, Verfestigungstiefe, Fehlstellendichteund -verteilung. Rost- und Beizverhalten, Lot- und Schweißbarkeit sowie Haftfestigkeit nachträglich aufgebrachter metallischer oder nichtmetallischer Überzüge. Damit istdieseMeßgrößezurkomplexenCharakterisierungder physikalisch-chemischen Oberflächenbeschaffenheit geeignet (quasi zerstörungsfrei, da nur Abtrag von maximal 1 Mm). Ursache dieser Korrelationen ist anscheinend, daßdie Reaktionsschichtbildung entscheidend Störstellenverlauf und -dichte in der darunterliegenden Zone beeinflußt.damitderzwecksOxidationnotwendigenDiffusionvonMetallatomenandieOberflächeFehlstelleninslnnerewandern bzw. dort zurückbleiben. Die Fehlstellendichte und-Verteilung beeinflußt aber neben der Reaktionsschichtdicke an sich wesentlich die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Oberflächenrandschicht. So weisen z. B. dickt! Reaktionsschichten aufgedrehten unlegiertenStählen sowohl auf einehohe Fehlstellendichte im Randbereichalsauch auf einegroßeEindringtiefedieserStörungen hin. EntsprechendistauchdieGrößeundTiefederangeführtenphysikalischenundchemischen Eigenschaftender Randschicht. Bei unterschiedlicher Vorbearbeitung, z.B. unterschiedlichen Spanungsverfahren, bzw. Werkstoffen können.auch die Zusammenhänge zwischen Reaktionsschichtdicke und den einzelnen physikalisch-chemischen Oberflächeneigenschaften unterschiedlich sein. Diese lassen sich aber in jedem Fall durch Eichung bzw. Festlegung von Grenzwerten quantifizieren.
Ausführungsbeisplel Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Beispiel 1
Es wurde eine Welle aus Stahl C 60 mit verschiedenen Schnittgeschwindigkeiten außenlängsgedreht. Wie folgende Tabelle zeigt, besteht ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der ermittelten Reaktionsschichtdicke d und physikalischen (Mikrohärte HVo,oo6; Verfestigungstiefe VT; Abstand der größten Fehlstellendichte von der Oberfläche dF) sowie chemischen (Rosthäufigkeitsgrad Hn nach 90 Stunden bei 95% relativer Luftfeuchte, mittlere Beizgeschwindigkeit vL in 1N H2SO4) Eigenschalten der Metalloberfläche:
d(Mm) HV0AM6 VT(Mm) dF(Mm) HN(%) Vl(mg · cm"2· h"1)
0,40 480 80 7-8 29,2 1.6
0,33 380 65 3,5-4,5 15,4 0,7
0,30 350 58 1,5-2,5 12,1 0,45
0,31 360 60 etwa 2 13,7 0,5
Zur Ermittlung der Reakjionsschichtdicke wurde das in einer 0,1 m EDTA-Lösung (Dinatriumsalz der
Ethylendiamintetraessigsäure) mit einem pH-Wert von 4 in Lösung gehende Eisen spektralanalytisch in Abhängigkeit von der Zeit ermittelt. Aus dem Plateau der erhaltenen Kurve wurde die Reaktionsschichtdicke d berechnet.
Beispiel 2
Es wurdeeine Welle aus Stahl C45 bei sonst konstanten Schnittbedingungen mit verschiedenen Verschleißzuständen desMeißels außenlängsgedreht. Analog Beispiel 1 konnte ein Zusammenhang zwischen derermittelten Reaktionsschichtdicke d und Eigenschaftender Oberflächenrondschichtermittolt werden (MikrohärteHVo.oos.'Abstandder größten Fehlstellendichte vonder Oberflächedf; Rosthäufigkeitsgrad Hn nach 150 h bei 95% relativer Luftfeuchte; mittlere Beizgeschwindigkeit vLin30%igerHjSO,|):
d(Mm) HVo,oos df (Mm) HN(%) V1 (mg · cm -2. „-ι
0,14 195 1,5-2,5 5,1 1,7
0,18 245 2-3 10,4 1,9
0,20 270 2-3 12,1 2,0
0,38 510 4-5 24,3 2,5
Die Ermittlung der Reaktionsschichtdicke erfolgt analog Beipsiel 1. Beispiel 3
Es wurden Führungsbahnen aus gehärtetem Stahl 100 Cr β bei unterschiedlichen Schnittbedingungen mit superhartem Schneidstoff Komposit 10 gefräst. Es ergaben sich folgende Werte für Reaktionsschichtdicke d, Beizgeschwindigkeit vL in 1N H2SO4, Mikrohärte HV0,ooe und dem Verfestigungsgrad in der Randschicht VG:
d(pm) Vl (mg -crn"1 · h"1) HVoxwe VG
0,2 0,28 602 1,11
0,12 0,15 587 0,92
Außerdem konnten deutliche Unterschiede bei der Benetzbarkeit mit bestimmten ölen festgestellt werden. Die Reaktionsschichtdickenbestimmung erfolgte analog Beispiel
Beispiel 4 Es wurde der Werkstoff AIMg 3 mit verschiedenartig verschlissenen Meißeln gedreht. Es konnte eine Korrespondenz zwischen Reaktionsschichtdicke, Beizgeschwindigkeit in 8%iger HCI sowie der Mikrohärte bzw. dem Verfestigungsgrad in der Randschicht
festgestellt werden.
Die Reaktiongsschichtdickenbestimmung erfolgte analog Beispiel 1, allerdings bei einem pH-Wert von Beispiel 5
Der Stahl 16 MnCr 5 wurde mit verschiedenartig abgerichteter Schleifscheibe aus Korund geschliffen. Auch hier ist ein Zusammenhang zwischen Reaktionsschichtdicke d, Beizgeschwindigkeit vL in 1N H2SO4 und Mikrohärte HV0,005 festgestellt worden. In diesem Falle besteht aber eine indirekte Proportionalität:
α(μιη) Vl (mg · cm"2 · h"1) HVo,OO6
0,44 0,25 190
0,33 0,4 225
0,26 0,5 240
Die Reaktionsschichtdickenbestimmung erfolgte analog Beispiel
Beispiel β
Zylindrische Stahlstifte aus C 60 mit unterschiedlicher Reaktionsschichtdicke, erzeugt durch Drehen bei verschiedenen Schnittgeschwindigkeiten, wurden mit Guß GGL 25 diffusionsverschweißt. Es konnte eine Korrespondenz zwischen Reaktionsschichtdicke, verschiedenen physikalisch-chemischen Eigenschaften der Randschicht und der Festigkeit der Schweißverbindungen ermittelt werden. Die Reaktionsschichtdickenbestimmung erfolgt analog Beispiel Beispiel 7 Es wurden Stahlblechstreifen aus St38 durch Wärmebehandlung verschieden stark oxidiert. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Lösung konnten Grenzwerte der Reaktionsschichtdicke festgelegt werden, bei denen die Oberfläche unter bestimmten Lötbedingungen lötbar ist oder nicht. Die Reaktionsschichtdicke wurde analog Beispiel 1 ermittelt. Beispiel 8
Gedrehte Oberflächen aus unlegiertem Stahl C 60 mit unterschiedlicher Fteaktionsschichtdicke wurden mit Nitrokombinationslackfarbe beschichtet. Es konnte eine eindeutige Korrespondenz zwischen der ermittelten Reaktionsschichtdicke und der Haftfestigkeit der Lackschicht, ermittelt mit der Gitterschnittmethode, festgestellt werden. Die Ermittlung der Reaktionsschichtdicke erfolgte analog Beispiel

Claims (3)

1. Chemische Meßverfahren zur Einschätzung der physikalisch-chemischen Oberflächenbeschaffenheit metallischer Werkstoffe, unter Verwendung wäßriger Elektrolyte und an sich bekannter Analyseverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß die zu untersuchende rost- und fettfreie Oberfläche in einem Elektrolyten exponiert und aus dem zeitlichen Verlauf des in Lösung gehenden Metalls die Metallmenge zu dem Zeitpunkt ermittelt wird, bei dem nach einem anfänglichen Anstieg der Lösegeschwindigkeit und einer danach folgenden Stagnation oder Verringerung derselben die Lösegeschwindigkeit wieder stark ansteigt.
2. Chemisches Meßverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektrolyt eine Lösung des Dinatriumsalzes der Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA) verwendet wird.
3. Chemisches Meßverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Präzision der Messung in Abhängigkeit vom Werkstoff und der Art der vorangegangenen mechanischen Bearbeitung ein optimaler pH-Wert des Elektrolyten eingestellt wird.
Anwendungsgebiet der Erfindung
Dia Erfindung betrifft ein chemisches Meßverfahren zur Einschätzung der physikalisch-chemischen Oberflächenbeschaffenheit metallischer Werkstoffe, um mit einer einzigen Untersuchungsmethode bzw. Meßgröße bestimmtet Gebrauchswerteigenschaften für einen unmittelbaren Verwendungszweck einzeln bzw. komplex einzuschätzen oder die Technologie für weitere Bearbeitungsschritte (mechanisch, thermisch, chemisch, z. B. beim Aufbringen von Schichten oder beim Löten und Schweißen) festzulegen.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen
Als Maß für die Güte metallischer Oberflächen wird von Technikern bisher vorwiegend die geometrische Oberflächengestalt (Rauheit, Welligkeit) verwendet. Das ist jedoch für viele Einsatzfälle, besonders auch hinsichtlich der in Zukunft weiter steigenden Anforderungen an die Qualität metallischer Oberflächen nicht ausreichend. Es müssen vielmehr auch die physikalischchemischen Eigenschaften herangezogen werden. In zunehmendem Maße werden zwar sehr aufwendige Meßmethoden für die Erfassung einzelner physikalisch-chemischer Oberflächeneigenschaften eingesetzt. Es wird aber in der Fachwelt schon länger als ein Mangel angesehen, daß keine komplexe Methode biw. kein repräsentativer Wert für die Einschätzung der physikalischchemischen Oberflächenbeschaffenheit existiert. (H. Weber, T. Loladze: Grundlagen des Spanens, Verlag Technik, Beriin 1986) Eine komplexe Meßgröße für Oberflächeneigenschaften stellt zwar auch der Randwinkel von Tropfen bestimmter Prüfflüssigkeiten auf Oberflächen dar, mit dessen Hilfe zum Beispiel die Haftfestigkeit von Lackschichten mit Metalloberflächen vor der Beschichtung prognostiziert wird. Die Zusammenhänge sind jedoch nicht immer eindeutig. Das hängt erstens damit zusammen, daß die Wechselwirkungen Prüfflüssigkeit/Metall anders geartet sein können als die zwischen Lack und Metall und zweitens generell nur die Oberflächenspannung auf dünnsten Oberflächenschichten den Randwinkel bestimmt. Damit werden aber nicht die Wirkungen darunterliegender Schichten erfaßt, die z.T. einen dominierenden Einfluß auf physikalisch-chemische Eigenschaften ausüben.
Die Anwendung von Komplexbildnern in Elektrolyten für das erfindungsgemäße Verfahren tangierende Anwendungen beschränkt sich auf die Entfernung von Rost und Zunder (DE-OS 2949466; US 3492238; EP 0086245). Die Verwendung bezieht sich damit nur auf tiisenwerkstoffe und dient außerdem nicht der Messung der Schichtdicke dünnster, metallisch aussehender oxidischer Reuktionsschichten und damit der Einschätzung der physikalisch-chemischen Oberflächenbeschaffenheit nach mechanischer, thermischer u.a. Beanspruchung.
Ziel der Erfindung
Ziel der Erfindung ist es, die physikalisch-chemische Oberflächenbeschaffenheit metallischer Werkstoffe mit einem einzigen Meßverfahren zu beurteilen, um daraus die effektivsten, materialsparendsten und zur Erzielung einer hohen Erzeugnisqualität besten Technologien hinsichtlich des weiteren Gebrauchs bzw. Einsatzes der Bauteile bezüglich Korrosion, Verschleiß, Beizverhalten, Haftfestigkeit aufgebrachter Schichten, Lot- und Schweißbarkeit u.a. festzulegen.
Darlegung des Wesens der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein chemisches Meßverfahren zur Einschätzung der physikalisch-chemischen Oberflächenbeschaffenheit metallischer Werkstoffe, insbesondere Eisenwerkstoffe, zu schaffen, das universell bei verschiedenartig vorausgegangenen Beanspruchungsarten sowie unterschiedlichsten Werkstoffen zur komplexen Prüfung der Oberfläche, vorzugsweise hinsichtlich des Korrosions- und Beizverhaltens, der Mikrohärte, der Verfestigungstiefe, der Fehlstellendichte und -verteilung, der Schweiß- und Lötbarkeit sowie der zu erwartenden Haftfestigkeit von metallischen und nichtmetallischen Überzügen einsetzbar ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe unter Verwendung wäßriger Elektrolyte und an sich bekannter Analysenverfahren dadurch gelöst, daß die zu untersuchende rost- und fettfreie Oberfläche in einem Elektrolyten exponiert und aus dem zeitlichen Verlauf
DD32014188A 1988-09-27 1988-09-27 Chemisches messverfahren zur einschaetzung der physikalisch-chemischen oberflaechenbeschaffenheit metallischer werkstoffe DD285534A7 (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1999030130A3 (de) * 1997-12-04 2002-08-29 Micronas Gmbh Verfahren zur untersuchung oder zum strukturieren einer oberflächenschicht

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