 Abb. 1: Keramisches Automobilventil aus Siliziumnitrid |
 Abb. 2: Links: C-Scan des Tellerbereiches eines Si3N4-Keramikventils mit einer "natürlichen" Fehleranzeige im Volumen (Pfeil), Bildausschnitt 28 mm x 28 mm. Rechts: C-Scan des Tellerbereichs eines Testventils mit etwa 100 µm großen Testfehlern (Bildausschnitt 32 mm x 32 mm) |
Die Volumenprüfung des zylindrischen Schaftbereiches stellt besondere Herausforderungen an die Prüftechnik, da die Schallbrechung an der Grenzfläche Wasser-Keramik wegen der hohen Schallgeschwindigkeit von 10,5 mm/µs (longitudinal) und der geringen Radien von 3 bis 4 mm sehr groß und stark anisotrop ist. Nur größere Fehler konnten so bisher gefunden werden.
Eine weitere Anwendung des hochfrequenten Ultraschalls ist die Prüfung auf Oberflächenrisse mit Rayleighwellentechniken. Dazu wird mit denselben Prüfköpfen wie für die Volumenprüfung unter dem kritischen Winkel für die Anregung einer verlustbehafteten Oberflächenwelle eingeschallt. Diese Welle läßt sich trotz starker Dämpfung über einige mm verfolgen. Besondere Aufmerksamkeit wird dabei der Ventilsitzfläche gewidmet (Abb. 3). Mit einem B-Scan bei Rotation des Ventils um seine Längsachse wird dieser kritisch belastete Bereich des Ventils auf Risse untersucht. Entsprechend kann auch der Schaftbereich auf Oberflächenfehler geprüft werden. In beiden Fällen können im Gegensatz zur Farbeindringprüfung auch nicht zur Oberfläche geöffnete Risse gefunden werden.
 Abb. 3: Links: Schema der Oberflächenwellenprüfung des Ventilsitzes. Rechts: Prüfergebnis mit dem Rotationswinkel (360°) als horizontaler Koordinate, der Schallaufzeit als vertikaler Koordinate. Die Oberflächenfehler erscheinen als nahezu senkrechte Linien. |
Ein erstes für die Ventilprüfung, besonders des Tellerbereiches, eingesetztes Verfahren ist die digitale Radiographie. Der durch das Ventil unterschiedlich geschwächte Röntgen-Kegelstrahl wird von einem Bildwandler zunächst in sichtbares Licht umgewandelt, von einer Videokamera eingezogen mit einem Videodigitalisierer der Bildverarbeitung zugänglich gemacht. Eine typische Bildauflösung ist dabei 512 x 512 Pixel mit einer Kantenlänge der Bildelemente von 10 µm. Durch Subtraktions- und Kantenverstärkungstechniken können kleine Fehler herausgearbeitet werden. Abb. 4 zeigt ein Bild mit 200 µm großen Fehlern im Tellerbereich der oben erwähnten Testventile. Für eine vollständige Untersuchung des Tellerbereich müssen in einem automatisiertem Rasterscan viele solcher Einzelbilder gemessen und analysiert werden.
Weitere Röntgenprüfverfahren, die insbesondere für den Schaft- und Tulpenbereich eingesetzt werden, sind die 2D- und die 3D-Computertomographie (CT). Auch hier kann mit Pixelgrößen von 10 µm gearbeitet werden, wobei mit einer Detektorzeile oder mit einem flächenhaften Detektor nachgewiesen wird /7/. Wegen der Vielzahl der aufzunehmenden Projektionen ist der Zeitaufwand dieser Verfahren relativ hoch. Abb. 5 und 6 zeigen Rekonstruktionsergebnisse aus dem Schaftbereich und aus dem Tulpenbereich von Ventilen. Im Gegensatz zur digitalen Radiographie kann die Fehlerlage in drei Raumkoordinaten lokalisiert werden.
 | Abb. 4: Digitale Radiographie zweier Testfehler im Ventilteller. Bildausschnitt 5 mm x 5 mm |
 | Abb. 5: 2D-CT Bild eines Fehlers im Schaft (10 µm Pixelauflösung in vier um jeweils 20 µm verschobenen Schnittebenen) |  | Abb. 6: Visualisierung einer mit 3D-CT gefundenen Pore im Übergangsbereich zwischen Schaft und Ventiltulpe. |
Die Röntgenprüfung erlaubt gegenüber den anderen Techniken eine gute Charakteriserung des Fehlers. Poren oder metallische Einschlüsse, letztere in Keramik häufig umgeben von Reaktionszonen, können gut unterschieden werden. Auch Dichteschwankungen sind gut nachweisbar /8/.
Mr. Netzelmann spricht in Dresden über dieses Kapitel.
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Als eine schnelle Methode zur Charakterisierung von Bauteilen ist die akustische Resonanzprüfung seit langem bekannt und wird neuerdings wieder verstärkt diskutiert /9,10/. Das Grundprinzip ist dabei, durch impulsartige oder periodische mechanische Anregung einer Schwingung das Bauteil in einer oder mehreren Eigenmoden schwingen zu lassen und die resultierenden Schwingungsverläufe zu analysieren. Fehler im Bauteil äußern sich in Veränderungen des Spektrums (Lage der Resonanzlinie, Breite und Höhe der Linien, Linienaufspaltungen bei Bauteilen mit Symmetrien).
Bei dem erprobten Meßaufbau wird ein Ventil an zwei Punkten auf piezoelektrischen Schwingungsaufnehmern gelagert (Abb. 7). Der eine Wandler wird als Sender, der andere als Empfänger betrieben. Für Anregung und Nachweis wurden zwei Ansätze erprobt. Beim ersten wird der Sendewandler mit einer Sinusspannung angeregt und das durch das Ventil transmittierte Signal mit einem Lock-In Verstärker detektiert. Die Frequenz der Sinuswelle wird langsam durchgesweept, so daß über einen weiten Frequenzbereich das Spektrum in Amplitude und Phase aufgezeichnet werden kann.
Die zweite Methode verwendet zur Anregung eine Stufenfunktion, nach der das resultierende Resonanzsignal mit einem Transientenrekorder mit hoher Speichertiefe über die Abklingdauer der Resonanzschwingung aufgezeichnet wird. Das Signal wird durch häufige Wiederholung des Experimentes gemittelt und dann über 50000 oder mehr Punkte fouriertransformiert (Abb. 8).
Im Ergebnis waren beide Verfahren wie erwartet äquivalent, wobei sich das Zeitbereichsverfahren als schneller und flexibler erwies. Als ein Problem der Technik zeigte sich bisher die genaue Reproduktion der mechanischen Schwingungsankopplung. Besonders bei den niederfrequenten Biegeschwingungsmoden waren hier beträchtliche Variationen der erhaltenen Resonanzfrequenzen zu beobachten.
 Abb. 7: Aufbau zur Resonanzprüfung von keramischen Automobilventilen. | 
Abb. 8: Typisches Prüfergebnis bei der Resonanzprüfung am Ventil (oben: Abklingkurve über 20 ms im Zeitbereich, unten: Resonanz- spektrum von 0 bis 100 kHz, logarithmische Amplitudendarstellung). |
Die Resonanzlinien bei den untersuchten Keramikventilen weisen Güten im Bereich von 1000 bis 3000 auf und lassen daher eine hohe Nachweisempfindlichkeit erwarten. Es erscheint aber fraglich, ob die mit den bisher erwähnten Prüfverfahren nachweisbaren Fehlergrößen von 50 bis 100 µm der Resonanzprüfung am Ventil zugänglich sind. Finite Elementrechnungen zum Einfluß von Rissen an scheibenförmigen Proben zeigen, daß Rißlängen von etwa 10 % des Radius nötig sind, um Frequenzverstimmungen im Promillebereich hervorzurufen /11/. Diese Verstimmungen müssen aber auch vor dem Hintergrund der im Fertigungslos vorhandenen Dichte-, Form- und Masseschwankungen nachgewiesen werden. Experimentell wurde durch Wägen innerhalb eines Loses von Keramikventilen eine Standardabweichung der Ventilmasse von 37,4 mg bestimmt. Konzentriert auf einen Punkt im Ventil entspräche das über die Dichte von Siliziumnitrid umgerechnet bereits einer kugelförmigen Pore von 2,8 mm Durchmesser.
Es ist zu erkennen, daß es das optimale Prüfverfahren, das in allen Probenbereichen schnell und mit höchster Empfindlichkeit kleinste Fehleranzeigen registriert, nicht gibt. In einigen Fällen sind mangels geeigneter Testfehler die Angaben über die Nachweisgrenzen noch wenig abgesichert.
Die bisherigen Untersuchungen im Rahmen von Forschungsprogrammen hatten eine möglichst vollständige Volumen- und Oberflächenprüfung auf Fehler zum Ziel. Eine solche Prüfung von Keramikkomponenten in der Serie wird an wirtschaftlichen Grenzen scheitern. Daher ist aus der Sicht der zerstörungsfreien Prüfung eine bessere Spezifikation der wirklich nachzuweisenden Fehlergrößen in Abhängigkeit vom Ort in der Komponente gefordert. Dazu ist weiterhin eine enge Zusammenarbeit der Partner aus Konstruktion, Fertigung und Anwendung nötig.
| Tabelle 1: Zusammenfassung wichtiger Ergebnisse der Keramikventilprüfung | ||||||
| Ultraschall Volumenprüfung | Ultraschall Oberflächenwellen | Resonanzprüfung | Röntgen Digitale Radiographie | Röntgen Tomographie | Farbeindringprüfung | |
| Prüfzeit | 4 min | 4 min | 0,5 min | 30 min | 60 min | 10 min |
| Fehlergrenze Teller | 50-100 µm | 20 µm | unbekannt | 100 µm | 150 µm | 50 µm (geöffnet) |
| Ventilsitz | - | 30 µm (?) | unbekannt | 100 µm | 150 µm | 50 µm (geöffnet) |
| Fehlergrenze Schaft | 100-200 µm (?) | Risse: 1 mm (?) | 100 µm | 50 µm | 50 µm (geöffnet) | |
| Fehlercharakterisierung | zufriedenstellen | zufriedenstellend | schlecht | gut | sehr gut | zufriedenstellend |
Der Artikel wurde vorgestellt auf der DGZfP Jahrestagung in Dresden im Mai '97
Sehen Sie hier 
Herrn Dr. Netzelmann während seines Vortrags.
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