Herausforderungen traditioneller Härteprüfung

Die Verschleißfestigkeit eines Bauteils hängt nicht unerheblich von dessen mechanischer Härte ab. Traditionelle Härteprüfverfahren nach Rockwell, Vickers oder Brinell sind zerstörende Prüfverfahren. Die Anwendung dieser Prüfverfahren macht das Bauteil, wenn man von wenigen Ausnahmen absieht, unbrauchbar, sodass es nicht mehr verwendbar ist. Daher werden diese Verfahren in der Regel nur stichprobenartig eingesetzt. Dem gegenüber steht oft, insbesondere im Zusammenhang mit sicherheitsrelevanten Bauteilen, der Wunsch nach einer 100% Prüfung.

Mikromagnetische Härteprüfung als Lösung

Das QASS µmagnetic Messsystem arbeitet auf der Basis des Barkhausenrauschens. Das Barkhausenrauschen wurde vor rund 100 Jahren durch den deutschen Physiker Heinrich Georg Barkhausen entdeckt und ist ein Phänomen, das bei ferromagnetischen Werkstoffen auftritt. Durch das Anlegen eines externen Magnetfeldes orientieren sich die zuvor zufällig ausgerichteten Elementarmagnete im ferromagnetischen Material um und richten sich parallel zum externen Magnetfeld aus. Das ferromagnetische Material wird vollständig magnetisiert. Die Geschwindigkeit, mit der diese Umorientierung geschieht, ist unter anderem vom Material und dessen magnetischer Härte abhängig.

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QASS µmagnetic Messsystem.

Die magnetische Härte ist ein Maß dafür, wie leicht sich ein ferromagnetisches Material magnetisieren lässt. Weichmagnetische Materialien lassen sich leicht, hartmagnetische dagegen eher schwer magnetisierten. Da die magnetische Härte mit der mechanischen Härte korreliert, sind weichmagnetische Materialien mechanisch weich und hartmagnetische Materialien mechanisch hart. Nach einer einmaligen Kalibrierung mit zwei Referenzproben bekannter Härte, kann man anschließend die Härte unbekannter Proben derselben Zusammensetzung mit dem QASS µmagnetic Messsystem zerstörungsfrei bestimmen. Dadurch wird eine vollständige Härteprüfung von Bauteilen Realität.

Um die Härte zu bestimmen, wird das zu vermessende Material einem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt und die Umorientierung der einzelnen magnetischen Domänen in der Mikrostruktur des Werkstoffs gemessen. Die durch den mikromagnetischen Sensor erfassten Zeit-Amplituden-Signal werden vom QASS µmagnetic Messsystem digitalisiert und durch eine Fast-Fourier-Transformation (FFT) in Echtzeit aufbereitet, damit auch die im Signal verborgenen Frequenzanteile (Tonhöhen) sichtbar werden. Das von QASS für die Spektralanalyse verwendete selbstentwickelte Verfahren nennen wir Hoch-Frequenz-Impuls-Messung (HFIM). Maschinen- und Störgeräusche können im Rahmen der Spektralanalyse mittels eines Spektralfilters (auch als Frequenzmaske bezeichnet) gezielt aus den Signaldaten gefiltert werden. Dadurch verbessert sich das Verhältnis zwischen Nutz- und Störsignal.

Vielfältige Anwendungsfelder

Die Daten werden in Echtzeit von der QASS Software Analyzer4D verarbeitet und die Härtewerte werden dem Anwender in der von ihm gewünschten Einheit ausgegeben. Zusätzlich visualisiert der Analyzer4D die Materialeigenschaften live in einer 3D-Spektrallandschaft. Magnetisch harte Materialien sind auch mechanisch hart und zeigen niedrige Signalamplituden. Magnetisch weiche Materialien sind auch mechanisch weich und zeichnen sich durch hohe Signalamplituden aus.

Taktzeiten in der Größenordnung von Sekunden sind mit dem System ohne Weiteres zu realisieren. Denn eine Härtemessung mit dem QASS µmagnetic System dauert in der Regel weniger als eine Sekunde. Eine Härtemessung besteht aus mehreren Einzelmessungen der Umorientierung der magnetischen Domänen im Inneren des Materials.

Neben der statischen Messung erlaubt unser µmagnetic System die Messung in Bewegung. Damit lassen sich Härteprofile aufzeichnen, um zum Beispiel die Qualität von Schweißnähten zu beurteilen oder Zahnflanken auf Schleifbrand zu untersuchen. Da die Messung berührungslos erfolgt, spielt eine Verschmutzung (Öl, Zunder usw.) oder Oxidation der Oberfläche keine Rolle. Die Messung in Bewegung kann durch QASS mit dem QOBOT Handlingsystem realisiert werden.

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Unterschiede in den Signalamplituden von weichmagnetischen und hartmagnetischen ferromagnetischen Materialien. Magnetisch harte Materialen sind auch mechanisch hart und zeigen niedrige Signalamplituden. Magnetisch weiche Materialien sind auch mechanisch weich und zeichnen sich durch hohe Signalamplituden aus.