Schichtanalyse
Wir bieten als Steinbeis-Transferzentrum Analysen von Beschichtungen aller Art als Dienstleistung an. Dazu setzen eine hochmoderne Laboranalytik und charakterisieren die Eigenschaften von Beschichtungen.
Analysen
- Schichtdickenmessung
- Haftfestigkeitsprüfung
- Schichthärte
- Rasterelektronenmikroskopie (REM)
- Röntgenspektroskopie (EDX)
- Reibwertmessung
- Verschleißprüfung
- Oberflächenleitfähigkeit
Die Schichtdickenmessung wird abhängig von Schichtart, Schichtdicke und Substrat mit verschiedenen Messverfahren für die Schichtstärkenbestimmung durchgeführt.
Die Haftfestigkeitsprüfung dient der Bewertung der Verbindungsfestigkeit zwischen Beschichtung und Substrat (adhäsive Haftfestigkeit) oder des inneren Zusammenhaltes der Schicht (kohäsive Haftfestigkeit).
Mit dem Rasterelektronenmikroskop (REM) werden hochauflösende Oberflächenanalysen bildgebend mit großer Vergrößerung durchgeführt. Mit der energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX Analyse) am REM werden die chemischen Elemente des Werkstoffs bestimmt werden. Über die Auswertung der Röntgenstrahlung sind auch Schichtdickenmessungen von sehr dünnen Schichten möglich.
Die Härteprüfung von Beschichtungen erfolgt durch die instrumentierte Eindringprüfung mit geringen Prüfkräften und Eindringtiefen. Diese bezeichnet man in Abhängigkeit von der Prüfkraft als Mikrohärteprüfung oder als Nanoindentierung. Die Härteprüfung erfolgt entweder von der Oberfläche in die Tiefe oder im präparierten Querschliff.
Da der Reibwert eine Systemeigenschaft ist, muss dieser durch Reibwertmessungen bestimmt werden. Tabellenwerte aus der Literatur sind völlig unbrauchbar und geben noch nicht einmal einen brauchbare Anhaltswerte wieder.
Mit der Verschleißprüfung werden durch Modellprüfungen Werkstoffe und Beschichtungen bzgl. des Verschleißverhaltens bewertet.
Ortsaufgelöste Messungen der Oberflächenleitfähigkeit einer Beschichtung mit Auflösungen im Submikrometerbereich werden mit einem Rasterkraftmikroskop vorgenommen.
Leistungsübersicht Schichtanalyse
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.
Die Bestimmung der Schichtdicke kann auch über eine Stufenmessung mit dem Konfokalmikroskop durchgeführt werden
oder optisch im Querschliff mit dem Auflichtmikroskop oder Rasterelektronenmikroskop mit BSE Detektor.
Mit der energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX) am REM können über die Auswertung der Röntgenstrahlung die Schichtdicken von sehr dünnen Schichten bestimmt werden.
Die optische Schichtdickenmessung mit einem spektroskopischen Reflektometer dient dazu die Schichdicke von sehr dünnen, optisch transparenten, Beschichtungen berührungslos zu messen. Hierbei nutzt man den Effekt, dass beim Auftreffen von Licht auf eine Grenzfläche zwischen zwei Medien mit unterschiedlichem Brechungsindex ein Teil der Strahlung reflektiert und ein anderer transmittiert wird.
Die zerstörungsfreie 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 dem magnetinduktiven Verfahren. 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.
- Magnetinduktives Verfahren
Die zerstörungsfreie Messung der Schichtdicke 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.
HAFTFESTIGKEITSPRÜFUNG
Üblicherweise erfolgt die Haftfestigkeitsprüfung von Hartstoffschichten 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.
Eine weitere Methode für die Haftfestigkeitsprüfung von Hartstoffschichten ist die Rockwell-Eindringprüfung. Bei dieser wird ein Rockwell-Prüfkörper senkrecht zur Oberfläche eingedrückt, um Adhäsionsversagen des Systems Schicht/Grundwerkstoff zu begünstigen.
Weiche Schichten versagen durch kohäsives Versagen bei mechanischer Beanspruchung, also die Auflösung des inneren Zusammenhaltes der Schicht. Da hierzu der Ritztest nicht geeignet ist, bestimmen wir diese über die Ermittlung von Materialkennwerten aus der instrumentierten Eindringprüfung.
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. Es funktioniert bei allen Arten von Substraten und Geometrien, auch dort wo die klassischen Methoden versagen.
HÄRTEPRÜFUNG BESCHICHTUNG
Die Härteprüfung an Beschichtungen erfolgt durch die Mikrohärteprüfung oder die Nanoindentierung. Diese zeichnen sich dadurch als, dass die Prüfkräfte und Eindringtiefen des Prüfkörpers gering sind und die Härte aus der Kraft-Weg-Kurve der Be- und Entlastungsphase bestimmt wird.
RASTERELEKTRONENMIKROSKOPIE (REM)
Mit der Rasterelektronenmikroskopie (REM) werden hochauflösende Bildaufnahmen der Oberflächen mit großer Vergrößerung angefertigt. Dabei tastet ein Elektronenstrahl zeilenförmig die Oberfläche ab und bildet diese vergrößert ab.
RÖNTGENSPEKTROSKOPIE (EDX)
Mit der Energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX) am REM werden für Materialanalysen die chemischen Elemente qualitativ und quantitativ ortsaufgelöst erfasst. Die Methode beruht darauf, dass jedes chemische Element eine charakteristische Röntgenstrahlung aussendet, wenn es angeregt wird.
REIBWERTMESSUNG
Um den Reibwert zu messen, wird ein Prüfkörper über eine Oberfläche bewegt und dabei das Verhältnis von Tangential- zu Normalkraft bestimmt. Darüber kann der Haftreibungskoeffizient und der Gleitreibungskoeffizient bestimmt werden, auch über eine Laufzeit.
VERSCHLEISSPRÜFUNG
Bei der Verschleißprüfung wird ein Probenkörper mit einem Prüfkörper geeigneter Geometrie unter definierter Beanspruchungsparameter miteinander in Kontakt gebracht. Anschließend überstreicht der Prüfkörper mit einer Relativgeschwindigkeit den Grundkörper und nach einem bestimmten Verschleißweg wird der Verschleiß bewertet.
LEITFÄHIGKEITSMESSUNG
Bei der Rasterkraftmikroskopie „rastert“ eine Messnadel die Oberfläche zeilenweise ab. Durch die Rasterkraftmikroskopie kann die Leitfähigkeit einer Oberfläche ortsaufgelöst bestimmt werden. Mit der leitfähigen Rasterkraftmikroskopie (C-AFM) wird die Topographie eines Materials und der elektrische Stromfluss am Kontaktpunkt der Spitze (Cantilever) gemessen.