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Schichtanalyse

Wir analysieren die Eigenschaften von Beschichtungen als Dienstleistung. Die Beschichtungen werden durch Merkmale wie Schichthärte, Schichtdicke, Haftfestigkeit, Reibwert und das Verschleißverhalten charakterisiert.

Leistungsübersicht

HÄRTEPRÜFUNG BESCHICHTUNG

Die Härteprüfung an Beschichtungen und Lacken wird mit der Mikrohärteprüfung oder die Nanoindentierung durchgeführt. Diese sind durch kleine Prüfkräfte und Eindringtiefen des Prüfkörpers charakterisiert sind sowie dadurch, dass die Härte aus einer Kraft-Weg-Kurve berechnet wird.

  • Mikrohärteprüfgerät
  • Nanoindenter

SCHICHTDICKENMESSUNG

Der Kalottenschliff ist ein zerstörendes Prüfverfahren für die Schichtdickenmessung von Hartstoffschichten. Hierbei wird mit einer Stahlkugel eine Kalotte auf der zu prüfenden Beschichtung eingeschliffen und anhand der mikroskopischen Messung der Kalotte die Schichtdicke bestimmt.

  • Kalottenschleifgerät

Die Bestimmung der Schichtdicke kann am präparierten Querschliff erfolgen und dies je nach Schichtdicke mit dem Auflichtmikroskop, Konfokalmikroskop oder Rasterelektronenmikroskop.

  • Auflichtmikroskop
  • Rasterelektronenmikroskop (REM)

Mit der energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX-Analyse) am REM werden über die Auswertung der Röntgenstrahlung Schichtdicken von dünnen Beschichtungen im Bereich von Nanometern bestimmt.

  • Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX)

Die optische Schichtdickenmessung von transparenten Beschichtungen (z.B. Lacke, Ölfilme) erfolgt berührungslos mit einem Konfokalmikroskop sowie einem Weißlichtinterferometer oder einem spektroskopischen Reflektometer, welche beide das Prinzip der Interferenz zur Schichtdickenmessung nutzen.

  • Konfokalmikroskop
  • Weißlichtinterferometer (WLI)
  • Spektroskopisches Reflektometer

Die berührungslose Schichtdickenmessung auf nicht ferromagnetischem Grundwerkstoff (z.B. Aluminium, Messing, Kupfer, Bronze, Zinkdruckguss, Zinn) erfolgt mit dem Wirbelstromverfahren. Die zu messenden Schichten müssen elektrisch isolierend sein, z. B. Farben, Lacke, Kunststoffe, Eloxalschichten. Beim Wirbelstromverfahren wird üblicherweise eine als Messsonde in einem Gehäuse gekapselte Spule mit hochfrequentem Wechselstrom beaufschlagt. Für diese zerstörungsfreie Schichtdickenmessung nutzt man den Effekt, dass die Spuleninduktivität im Bereich geringer Abstände zwischen der Spule und dem metallischen Untergrund mit zunehmendem Abstand abnimmt.

  • Wirbelstromverfahren

Die zerstörungsfreien Schichtdickenmessung auf Eisen bzw. Stahl (ferromagnetischer Grundwerkstoff) erfolgt mit der magnetinduktiven Messmethode. Die zu messenden Schichten müssen unmagnetisch sein, z. B. Lacke, Farben, Kunststoffe,   Aluminium, Messing, Kupfer, Chrom, Zink, Zinn. Beim magnetinduktiven Verfahren entsprechen Aufbau der Messsonde und Messdurchführung dem Wirbelstromverfahren, allerdings mit deutlichen niedrigeren Frequenzen. In das durch die Erregerspule erzeugte Magnetfeld wird die zu untersuchende Probe gebracht, wodurch sich die Induktionsspannung in der Messspule ändert und somit die Schichtdicke messbar ist.

  • Magnetinduktive Messmethode

Die berührungslose Messung der Schichtdicke über eine Fläche erfolgt mit der Photothermischen Schichtdickenmessung. Bei dieser erwärmt ein frequenzmodulierter Diodenlaser die Randzone des Bauteils und ein Infrarotdetektor misst die reflektierten thermischen Wellen. Diese Methode funktioniert bei allen Arten von Substraten und Geometrien, auch dort wo die klassischen Methoden versagen.

  • Photothermischer Randzonen-Analysator

HAFTFESTIGKEITSPRÜFUNG

Die Haftfestigkeitsprüfung von Hartstoffschichten erfolgt üblicherweise mit dem Ritztest. Hierbei wird der Prüfkörper mit konstanter Geschwindigkeit und zunehmender Normalkraft entlang der Oberfläche bewegt, um Adhäsions- und/oder Kohäsionsversagen des Systems Schicht-Grundwerkstoff zu begünstigen.

  • Mikro-Ritztester

Eine weitere Methode für die Haftfestigkeitsprüfung von Hartstoffschichten ist die Rockwell-Eindringprüfung, die mit einer Härteprüfmaschine durchgeführt wird. Bei dieser wird ein Rockwell-Prüfkörper senkrecht zur Oberfläche eingedrückt, um Adhäsionsversagen des Systems Schicht/Grundwerkstoff zu begünstigen.

  • Härteprüfmaschine

Weiche Beschichtungen versagen bei mechanischer Beanspruchung durch kohäsives Versagen, also die Auflösung des inneren Zusammenhaltes der Schicht. Die Neigung zu kohäsivem Versagen korreliert mit dem elastischer Anteil der Formänderungsarbeit, der beispielsweise mit einem Nanoindenter bestimmt wird.

  • Nanoindenter

Die Gitterschnittprüfung nach ISO 2409 wird für die Haftfestigkeitsprüfung von Lackierungen und Kunststoffschichten eingesetzt. Mit dem Gitterschnittgerät werden sechs parallele Schnitte in die Beschichtung bis zum Substrat angebracht. Diese werden anschließend durch sechs im rechten Winkel dazu angelegte Schnitte gekreuzt und dadurch in schachbrettartige Segmente unterteilt. Anhand der Anzahl der abgerissenen Segmente wird die Haftfestigkeit ermittelt.

  • Gitterschnittgerät

Die zerstörungsfreie Haftfestigkeitsprüfung von Beschichtungen über eine Fläche erfolgt mit der Photothermischen Randzonenanalyse. Bei dieser erwärmt ein frequenzmodulierter Diodenlaser die Randzone des Bauteils und ein Infrarotdetektor misst die reflektierten thermischen Wellen. Diese Methode funktioniert bei allen Arten von Substraten und Geometrien, auch dort wo die klassischen Methoden versagen.

  • Photothermischer Randzonen-Analysator

REIBWERTMESSUNG

Der Reibwert (Reibungskoeffizient) eines tribologischen Systems wird mit einem Tribometer bestimmt. Dazu wird ein Prüfkörper unter einer definierten Normalkraft über einen Grundkörper bewegt. Dabei wird die Tangentialkraft gemessen und aus dem Verhältnis zur Normalkraft der Reibwert µ berechnet. Reibwerte können nur aus Messungen des konkreten Systems bestimmt werden, da diese von sehr vielen Einflussfaktoren abhängen.

  • Tribometer

VERSCHLEISSPRÜFUNG

Das Verschleißverhalten von tribologischen Systemen wird mit einem Tribometer als Modellprüfeinrichtung ermittelt. Dazu wird der Prüfkörper unter einer definierten Normalkraft über einen Grundkörper translatorisch oder rotatorisch bewegt. Nach dem Test wird der Verschleiß gravimetrisch oder durch optische Messungen bestimmt.

  • Tribometer

RASTERELEKTRONENMIKROSKOPIE (REM)

Die Rasterelektronenmikroskopie mit einem REM dient dazu präzise Oberflächenanalysen und Materialanalysen mit großer Vergrößerung durchzuführen. Dabei rastert ein Elektronenstrahl die Oberfläche zeilenförmig ab und erzeugt so hochauflösende Bildaufnahmen der Objektoberfläche, sowohl als Topographie-Aufnahmen (SE) als auch vom Materialkontrastaufnahmen (BSE).

  • Rasterelektronenmikroskop (REM)

RÖNTGENSPEKTROSKOPIE (EDX)

Mit der Energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX) am REM werden Materialanalysen durchgeführt, indem die chemischen Elemente des Werkstoffes bestimmt werden. Die Methode beruht darauf, dass jedes chemische Element eine charakteristische Röntgenstrahlung aussendet, wenn es durch den Elektronenstrahl des REM angeregt wird.

  • Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX)

LEITFÄHIGKEITSMESSUNG

Die ortsaufgelöste Leitfähigkeit einer Oberfläche wird durch ein Rasterkraftmikroskop (AFM) bestimmt, bei dem eine Messnadel (Cantilever) die Bauteiloberfläche sehr präzise abrastert. Bei der leitfähigen Rasterkraftmikroskopie (C-AFM) wird der elektrische Stromfluss am Kontaktpunkt des Cantilevers gemessen.

  • Rasterkraftmikroskop (AFM)

Die Härteprüfung von Beschichtungen und Lacken erfolgt mit sehr kleinen Prüfkräften durch die Mikrohärteprüfung oder die Nanoindentierung. Diese sogenannten instrumentierten Eindringprüfungen erfolgen entweder von der Oberfläche aus oder im Querschliff.

Die Schichtdickenmessung wird abhängig von Schichtart, Schichtdicke und Substrat mit dem jeweils passenden Verfahren durchgeführt. Es können Schichtstärken Nanometer- bis zum Mikrometerbereich bestimmt werden.

Die Haftfestigkeitsprüfung dient der Bewertung der Verbindungsfestigkeit zwischen Beschichtung und Substrat oder des inneren Zusammenhaltes der Schicht.

Zur Charakterisierung von tribologisch beanspruchten Beschichtungen dienen die Reibwertmessung und die Verschleißprüfung. Diese werden durch Prüfmethoden der Modelltribologie bestimmt.

Mit der Rasterelektronenmikroskopie (REM) werden hochauflösende Oberflächenanalysen an Beschichtungen durchgeführt und Bildaufnahmen mit großer Vergrößerung angefertigt. Mit der energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX Analyse) am REM werden die chemischen Elemente des Werkstoffes zur Materialanalyse bestimmt.

Die ortsaufgelöste Leitfähigkeit einer Beschichtung wird mit einem Rasterkraftmikroskop (AFM) durchgeführt.

Prof. Dr.-Ing. Dietmar Schorr

E-Mail: kontakt@steinbeis-analysezentrum.com
Tel: +49 721 9735 831
Mobil: +49 172 9057349

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