Die Prüfung von beschichteten Oberflächen spielt sich vermehrt im Mikro- und Nanobereich ab. Damit steigen auch die Anforderungen, um beispielsweise Härte und Mikroverschleiß messen zu können. Eine effiziente Lösung bietet ein Prüfgerät, das nicht nur als Nanoindenter arbeitet, sondern auch für Scratchtests eingesetzt werden kann.
Die Belastbarkeit von Bauteilen zählt in der Qualitätssicherung zu den Standarduntersuchungen. Wie hart, wie elastisch ist die Oberfläche und wie widerstandsfähig ist sie gegenüber Reibung und Verschleiß?
Die Beantwortung der Fragen ist umso schwieriger, je dünner die Werkstoffschicht ist. Aufgrund der fortschreitenden Miniaturisierung und der Funktionalisierung dünner Schichten sind im Mikro- und Nanobereich spezielle Prüfmethoden notwendig. Eine von ihnen ist die Nanoindentierung. Ihr Hauptanwendungsgebiet ist die Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von dünnen Schichten.
Damit beschäftigt sich unter anderem das Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnik (IWW) der TU Chemnitz. Neben Untersuchungen im Makro- und Mikrobereich werden vor allem Prüfungen im Nanobereich durchgeführt. Dazu gehört etwa die Bestimmung der Härte einer Schicht unabhängig vom Substrat.
Andere Untersuchungen betreffen die Härte von Carbiden und Härteverläufe in Schichten und Substraten. Zur Bestimmung der relevanten Kennwerte setzt die TU Chemnitz den nanomechanischen Tester Unat von Asmec ein – ein Unternehmen, das seit einigen Jahren zur Zwick Roell Gruppe gehört.
Unat basiert auf einer Weiterentwicklung der bekannten Nanoindenter-Technik. Seine besondere Eigenschaft ist die Kombination von zwei Messköpfen – für die normale Richtung (Nanoindenter-Prinzip) und in lateraler Richtung (Scratchtester-Prinzip). Dadurch lassen sich laterale Kraft-Verschiebungs-Kurven messen, aus denen Parameter der Probe resultieren wie die lateralen Steifigkeit und die rein elastische laterale Deformationen.
Die normalen und lateralen Messwege sind maximal 200 µm beziehungsweise 75 µm lang und erreichen eine digitale Auflösung ≤ 0,002 nm. Die Maximalkraft (normal und lateral) liegt bei maximal 2 N und einer Auflösung ≤ 0,02 µN. Beide Messköpfe arbeiten unabhängig voneinander.
Kratzspuren werden ausgewertet
Der Scratchtest besteht darin, dass eine Diamantspitze (Rockwell-C-Diamant) mit definierter Kraft eingedrückt und dann entweder mit gleichbleibender oder steigender Last über die Oberfläche bewegt wird. Die dadurch entstehenden Kratzspuren und eventuellen Verformungsmerkmale des Werkstoffverbundes werden ausgewertet.
Das Resultat ist die so genannte kritische Last, bei der es zu einer Schädigung der Beschichtung kommt. Unat kann zum einen für Härte-, Verschleiß- und Scratchtests, zum anderen als Zugprüfgerät und Profilometer eingesetzt werden. „Das vielseitige Prüfsystem für praktische und forschungsrelevante Anwendungen erlaubt Messungen bereits ab einer Maximalkraft von 0,3 mN“, erklärt Thomas Lampke, Professor für Oberflächentechnik/Funktionswerkstoffe an der TU Chemnitz.
Der nanomechanische Tester ist für vollautomatische Messungen mit über 1000 möglichen Messpositionen ausgelegt. Jeder Prüfzyklus lässt sich mit beliebig vielen und unterschiedlichen Belastungszyklen programmieren. Im Open-loop-Modus können wahlweise Kraft, Weg und Zeit vorgegeben; im Closed-loop-Modus auch die Zahl der Datenpunkte und die Haltezeit pro Punkt.
Hervorzuheben bei geringen Eindringtiefen sind die Genauigkeit der Korrekturfunktionen für die Form der Prüfkörper, die Lage der Oberfläche (Nullpunkt) und der geringe thermische Drift, der das Aufprägen langsamer Lastraten erlaubt. Hinzu kommt das hohe Signal/Rausch-Verhältnis von sechs Größenordnungen, das Messungen über vier Größenordnungen der Kraft ermöglicht. Der Anwender wird hierbei unterstützt durch die Software Inspectorx. Sie bietet praxisnahe Routinen, deren Qualität von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) nachgewiesen wurde. ■
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