DE1228439B - Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Haerte eines metallischen Gegenstandes - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESGHRIFT

Int. CL:

GOIn

Deutsche KL: 42 k-36/10

Nummer: 1228439

Aktenzeichen: J 24389IX b/42 k

Anmeldetag: 6. September 1963

Auslegetag: 10. November 1966

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Härte eines metallischen Gegenstandes und insbesondere ein Verfahren, mit dem die Härte eines schnell wandernden metallischen Werkstückes berührungs- und zerstörungsfrei fortlaufend gemessen werden kann.

Es gibt verschiedene Vorstellungen über die Härte eines Materials und ebenso viele verschiedene Verfahren zur Messung der Härte. Die Härte eines Materials kann definiert werden als der Widerstand, den das Material einer dauernden Verformung durch eine unter gegebener Belastung einwirkende Prüfspitze entgegensetzt. Zur Bestimmung der Härte können Brinellhärtemesser, Rockwellhärtemesser oder Kugelfallhärtemesser verwendet werden. Beim Brinellhärtemesser wird eine Kugel durch eine gegebene Belastung eine bestimmte Zeit gegen ein Werkstück gedrückt. Der Durchmesser des gebildeten Eindruckes ist ein Maß für die Härte des Werkstükkes. Brinellhärtemesser sind im allgemeinen für schnelle Messungen nicht geeignet und werden daher üblicherweise nur in Prüflabors verwendet.

Beim Rockwellhärtemesser wird die Eindringtiefe eines unter einer vorgegebenen Belastung gegen ein Werkstück gedrückten Prüfkörpers gemessen. Die Rockwellhärtezahl wird von einer geeigneten Anzeigeeinrichtung abgelesen, die mit verschiedenen, einen breiten Meßbereich umfassenden Skalen ausgerüstet ist. Mit einem Kugelfallhärtemesser kann die dynamische Härte eines verhältnismäßig großen Werkstückes festgestellt werden. Dabei läßt man innerhalb eines Glaszylinders einen mit Diamant besetzten Hammer gegen das Werkstück fallen. Die Höhe des Rückpralls ist proportional der Härte des geprüften Materials.

Bei jedem dieser Meßgeräte wird bei der Härtemessung die Oberfläche des Werkstückes dauernd verformt oder beschädigt. Weiterhin muß während der Messung das Werkstück gewöhnlich ruhig liegen, so daß sich diese Meßeinrichtungen nicht für automatische Fertigungsbänder eignen.

Gegenstand der Erfindung ist nun ein Verfahren zum Messen der Härte eines metallischen Werkstükkes von im wesentlichen konstanter homogener Zusammensetzung, das dadurch gekennzeichnet ist, daß auf die Oberfläche des Werkstückes ein Betastrahlenbündel gerichtet wird, das eine solche Energie hat, daß das Werkstück für das Strahlungsbündel unendlich dick erscheint, die von der Oberfläche reflektierte Strahlungsintensität gemessen und in ein proportionales elektrisches Signal umgewandelt wird, welches als Maß für die Härte des Werkstückes dient.

Verfahren und Vorrichtung zum Messen der
Härte eines metallischen Gegenstandes

Anmelder:

Industrial Nucleonics Corporation,
Columbus, Ohio (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. M. Licht, Dr. R. Schmidt,

Dipl.-Wirtsch.-Ing. A. Hansmann

und Dipl.-Phys. S. Herrmann, Patentanwälte,

München 2, Theresienstr. 33

Als Erfinder benannt:

Donald E. Varner, Yardley, Pa. (V. St. A.)

Es ist bekannt, daß die Anzeige eines Meßgerätes

as zur Messung der von einem Metall reflektierten oder rückgestreuten Strahlung nicht nur eine Funktion der Dicke des Metalls, sondern auch der chemischen Zusammensetzung des Metalls ist, d. h. auch von der Art und Menge der das Metall bildenden Bestandteile abhängt. Es hat sich nun herausgestellt, daß ein Effekt zweiter Ordnung vorliegt, der die Anzeige zwar im weit geringeren Maße beeinflußt, den man jedoch zur Bestimmung der Härte verwenden kann.

Dieser Härteeffekt war bisher noch nicht bekannt und wurde auch noch nicht bei einem Rückstreuungsmeßgerät verwendet. Er kann auch noch nicht theoretisch erklärt werden, insbesondere nicht bei der Rückstreuung von Betastrahlen. Die wesentlichen Bedingungen und Schritte zur Durchführung

des Härtemeßverfahrens nach der vorliegenden Erfindung werden nur kurz dargelegt.

Es ist ein Meßverfahren erwünscht, mit dem die Härte eines schnell wandernden Stahlbandes, beispielsweise eines über eine Kaltbandstraße oder Glühstraße wandernden Stahlbandes fortlaufend berührungsfrei und zerstörungfrei gemessen werden kann. Die erste Bedingung für die Verwendung des Verfahrens nach der Erfindung ist, daß die chemische Zusammensetzung des Metalls über das ganze Band im wesentlichen konstant ist. Diese Bedingung wird normalerweise durch gewissenhafte Qualitätskontrolle ausreichend erfüllt. Ein konventionelles

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Rückstrahlungsmeßgerät für Betastrahlen, bei dem auftreten kann, falls das zu messende Material eine vorzugsweise die Strahlungsquelle und der Strah- veränderliche Magnetisierung aufweist. Es ist ■ belungsdetektor in einem einzigen Gehäuse angeordnet kannt, daß bei vielen Metallverarbeitungsverfahren sind, wird in der Nähe einer Seite des sich bewegen- mit oder ohne Anwendung eines Magnetfeldes das den Stahlbandes angeordnet. Die Strahlungsquelle 5 Werkstück nebenbei auch magnetisiert wird. Dies ist muß hinsichtlich der Energie des von ihr ausgehen- beispielsweise praktisch bei allen Stahlkaltverarbeiden Strahlenbündels so gewählt werden,· daß die tungsverfahren der Fall, beispielsweise beim Kalt-Dicke des vorbeilaufenden Bandes größer ist als eine walzen. Es ist weiterhin auch bekannt, daß bewegte von der Strahlung aus gesehen »unendliche Dicke«. Ladungsteilchen durch ein Magnetfeld abgelenkt Falls die Oberfläche -des sich bewegenden Bandes in 10 werden.

einem bestimmten Abstand von der Strahlungsquelle Obwohl zu erwarten ist, daß die Ablenkung von

und dem Strahlungsdetektor gehalten wird, ist das hochenergetischen Elektronen in solchen zufälligen

Anzeigesignal des Strahlungsdetektors eine Funktion Magnetfeldern gering ist, hat sich herausge-

der Härte des Bandes. stellt, daß dieser Effekt bei der Härtemessung

Das Signal des Detektors kann leicht mit der 15 unter Verwendung der Rückstreuungsstrahlung beHärte des Bandes mit Hilfe eines bekannten Ver- trächtlich ist. Verwendet man beispielsweise das fahrens in Beziehung gesetzt werden, das gewöhnlich Kryptonisotop 85 als Strahlungsquelle und setzt beizur Eichung von die Rückstreuung ausnützenden spielsweise das Ausgangssignal des Strahlungs-Dickenmeßgeräteri verwendet wird. Dieses Verfahren detektors in eine Spannung von ungefähr 15 Volt um, ist beispielsweise näher in der USA.-Patentschrift ao dann findet man unter bestimmten Bedingungen, daß 2 951161 beschrieben. Im wesentlichen wird eine sich die Spannung bei Anwendung eines Magnet-Kurve gezeichnet, welche das Detektorsignal in Ab- feldes um ungefähr ein Millivolt pro Gauß erhöht, hängigkeit der nach einem anderen Verfahren gemes- Zur Erzielung optimaler Ergebnisse sollte daher das senen Härte von verschiedenen Proben zeigt. Für den Werkstück entmagnetisiert werden, bevor seine Härtebereich, der auf einer Härteskala des Anzeige- 25 Härte unter Anwendung von Strahlung gemessen Instrumentes vorgesehen ist, wird der entsprechende wird. Demnach ist weiterhin Gegenstand der Erfin-Bereich der Kurve gewählt. Die Eichung des Instru- dung eine Vorrichtung zur Durchführung des Vermentes wird nun abgeschlossen, in dem zwei Poten- fahrens unter Verwendung eines Meßgerätes zum tiometer der Meßschaltung entsprechend der Ordi- Messen der reflektierten Betastrahlung, welche nate und der Neigung der Kurve in der Mitte des 30 dadurch gekennzeichnet ist, daß entlang der Bewe-Bereiches eingestellt werden. Bei einem Betastrah- gungsbahn des Werkstückes vor dem Meßgerät eine lungsreflexionsmeßgerät ist die Änderung des Detek- Einrichtung zur fortlaufenden Entmagnetisierung des torsignals in Abhängigkeit von Änderungen der Werkstückes vorgesehen ist.

Härte ziemlich gering im Vergleich zur Änderung des Die Erfindung wird nun näher an Hand von Zeich-Detektorsignals bei Änderungen der Zusammen- ₃₅ nungen erläutert. In denen zeigt
setzung. Aus dem folgenden Beispiel kann man die F i g. 1 eine graphische Darstellung des Ausgangsrelative Größe des Härteeffektes abschätzen. Eine signals eines Strahlungsmeßgerätes in Abhängigkeit völlig gehärtete Stahlprobe wird zunächst mit Hilfe vom Gewicht pro Flächeneinheit eines Werkstoffes des Strahlungsmeßgerätes gemessen. Die Probe wird mit der Härte M₁, M₂ und M₃,
dann in einer vorgegebenen Atmosphäre geglüht, um 40 F i g. 2 eine graphische Darstellung des Ausgangseme Änderung der Zusammensetzung der Probe zu signals des Strahlungsmeßgerätes in Abhängigkeit vermeiden. Anschließend wird dann die Probe wieder von der Härte und

mit Hilfe des Strahlungsmeßgerätes gemessen, wobei F i g. 3 eine schematische Seitenansicht einer Vor-

man eine Abnahme des Detektorausgangssignals in richtung zur Durchführung des Verfahrens nach

der Größenordnung von 2% feststellt. Vergleichs- ₄₅ Erfindung.

weise beträgt der Unterschied 30 bis 4O°/o, wenn eine I_n der Stahlindustrie gibt es verschiedene Verfahaus reinem Zinn bestehende Probe und eine aus Stahl _{ren Z}ur Herstellung von Stählen bestimmter Härte, bestehende Probe gemessen werden. Das Strahlungs- Dabei wird gewöhnlich der Stahl kaltgewalzt und meßgerät arbeitet also bei Verwendung als Härte- wärmebehandelt. Durch Steuerung der Wärmebehandmeßgerät mit einem verhältnismäßig niedrigen ₅₀ lungstemperatur und der Abkühlungsgeschwindigkeit Signal-Geräusch-Verhältnis. kann man dem Stahl verschiedene Härte verleihen.

Das Meßverfahren nach der Erfindung hat sich Die maximal erzielbare Härte hängt großenteils vom

jedoch als sehr praktisch herausgestellt, da mit ihm Kohlenstoffgehalt des Ausgangsmaterials ab.

ohne Berührung des zu messenden Materials bei ""Handelt es sich beim MaterialM um einen rost-

irgendeiner Bandgeschwindigkeit und unabhängig 55 freien Stahl mit gleichmäßiger chemischer Zusam-

von Dickenänderungen, Temperaturänderungen und mensetzung und werden Proben dieses Stahls nach

anderen bestimmten, Änderungen die Härte des dem Verfahren der Erfindung gemessen, dann läßt

Materials zerstörungsfrei gemessen werden kann. Die sich eine in F i g. 1 gezeigte Kurve zeichnen, welche

Ergebnisse sind sehr günstig, wenn man sie mit den das Ausgangssignal des Meßgerätes in Abhängigkeit

Ergebnissen vergleicht, die von zur Messung der 60 vom Gewicht pro Flächeneinheit zeigt. Falls kein

Härte verwendeten' Wirbelstrom- oder magnetischen Material vorhanden ist, d. h. bei einer Materialdicke

Einrichtungen geliefert werden. Darüber hinaus ist gleich 0, ist das Ausgangssignal nicht 0, sondern hat

das Meßverfahren nach der Erfindung viel leichter einen Wert R₀, der unter anderem von Streustrahlung

durchzuführen, und die Ergebnisse können viel ein- und der an Luftmolekülen vor dem Meßgerät reflek-

facher gedeutet werden. 6₅ tierten Strahlung herrührt. Wird Material mit immer

Es hat sich weiterhin herausgestellt, daß bei größerer Dicke vor dem Meßgerät angeordnet, dann

Durchführung der Härtemessung unter Verwendung nimmt das Signal zu, bis es bei einem Wert in der

einer Betastrahlungsquelle, ein wesentlicher Fehler Nähe von Wi schließlich einen asymptotischen

Maximalwert erreicht. Das Signal ändert sich bei über diesem Maximalwert liegenden Werten nicht mehr wesentlich. Die Kurven M₁, M₂ und M₃ gelten für drei Proben aus rostfreiem Stahl mit verschiedener Härte. Die Härte nimmt von M₁ nach M₃ zu. Aus diesen Kurven ist ersichtlich, daß das Reflexionsvermögen eines gegebenen Materials eine Funktion der Härte dieses Materials ist. Man kann daher eine Beziehung zwischen dem Detektorsignal und der Härte aufstellen» wenn die Dicke des gemessenen Materials größer ist als der Wert Wi. Dieser Wert wird als »unendliche Dicke« des Materials bezeichnet, bei der das Material einen im wesentlichen unendlichen Strahlungsabsorber darstellt.

Die unendliche Dicke eines gegebenen Materials hängt großenteils von der Energie der radioaktiven Strahlungsquelle ab. Da die Dicke des Materials eine Grenze festlegt, unterhalb der die oben beschriebene Apparatur sowohl auf Schwankungen der Dicke als auch auf Schwankungen der Härte anspricht, verwendet man vorzugsweise eine radioaktive Strahlungsquelle, die eine Korpuskularstrahlung mit verhältnismäßig niedrigem Energieinhalt aussendet. Für diesen Zweck ist ein radioaktives Isotop wie Krypton-85 ideal geeignet. In diesem Falle besitzt Wi _a5 einen Wert von ungefähr 50 mg/cm². Bei Verwendung von Krypton-85 als Strahlungsquelle kann man die Härte von aus rostfreiem Stahl bestehenden Proben mit einer Dicke bis herunter zu 0,1 mm genau messen.

In F i g. 2 ist eine die Abhängigkeit des Detektorsignals von der relativen Härte darstellende Kurve gezeigt, die unter Verwendung der Kurven nach F i g. 1 gewonnen wurde. Die Abszisse der Kurve nach F i g. 2 kann in Rockwelleinheiten, Brinelleinheiten usw. beschriftet werden, jedoch ist aus Gründen der Klarheit eine spezielle Unterteilung unterblieben. Aus der in F i g. 2 gezeigten Kurve 32 ist ersichtlich, daß das Signal des Meßgerätes mit der Härte zunimmt. Die Kurve 32 zeigt eine leichte Krümmung bei größeren Härtewerten. Zur Erzielung einer genauen Anzeige der Härte kann das Meßgerät leicht so geeicht werden, daß die Nichtlinearitäten der Kurve 32 kompensiert werden.

In F i g. 3 ist eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung dargestellt. Das Meßgerät 40 wird zur Messung der Härte eines Stahlbandes 10 verwendet. Da zwischen dem Meßgerät 40 und dem Band 10 ein vorgegebener Abstand aufrechterhalten werden muß, sind drei Walzen 54, und 58 vorgesehen. Das Band wird so über die Walze 56 gebogen, daß ein Flattern des Bandes 10 im wesentlichen verhindert wird. Da auf das Band 10 ein Zug ausgeübt wird, ist der Abstand zwischen· Stahlband 10 und Meßgerät 40 immer konstant. Das Meßgerät 40 enthält eine Strahlungsquelle und einen Detektor und kann beispielsweise periodisch quer zur Laufrichtung des Stahlbandes verschoben werden. Unmittelbar vor der Walze 54 ist oberhalb des Stahlbandes 10 eine Entmagnetisierungseinrichtung angeordnet, durch welche das Stahlband 10 vor der Härtemessung entmagnetisiert wird. Die Entmagnetisierungseinrichtung 200 wird mit Wechselstrom betrieben, dessen Frequenz so hoch ist, daß eine gleichmäßige Entmagnetisierung bei vorgegebener Bandgeschwindigkeit erzielt wird.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Messen der Härte eines metallischen Werkstückes von im wesentlichen konstanter homogener Zusammensetzung, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Oberfläche des Werkstückes ein Betastrahlenbündel gerichtet wird, das eine solche Energie hat, daß das Werkstück für das Strahlenbündel unendlich dick erscheint, die von der Oberfläche reflektierte Strahlungsintensität gemessen und in ein proportionales elektrisches Signal umgewandelt wird, welches als Maß für die Härte des Werkstückes dient.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück unmittelbar vor Durchführung der Härtemessung entmagnetisiert wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2 unter Verwendung eines Meßgerätes zum Messen der reflektierten Betastrahlung, dadurch gekennzeichnet, daß entlang der Bewegungsbahn des Werkstückes vor dem Meßgerät eine Einrichtung zur fortlaufenden Entmagnetisierung des Werkstückes vorgesehen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschriften Nr. 2 938 124, 2 951 161.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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