Verschleißschutz und funktionale Schichten

DLC-Beschichtungen, Oberflächen aus NiP oder anderen Hartstoffen werden im Bereich Automotive zunehmend eingesetzt. Sie wirken beispielsweise als Verschleißschutz für Motorbauteile und verhindern Abrieb. Fischer bietet leistungsfähige Messgeräte für die Qualitätskontrolle der funktionalen Beschichtungen, mit denen Sie die Oberflächenhärte und weitere mechanische Eigenschaften exakt messen.

Messlösungen für funktionale Beschichtungen

Application Notes

Mechanische Eigenschaften dünner Eloxalschichten

Im Automobilbau stehen die Gewichtsreduktion und die damit verbundene Kraftstoffeinsparung an oberster Stelle, deshalb kommen leichte Elemente wie Aluminium zum Einsatz. Damit die Bauteile den mechanischen Belastungen im täglichen Betrieb standhalten, müssen sie hart und verschleißfest sein. Hierzu werden vermehrt harteloxierte Beschichtungen eingesetzt.

Harteloxalschichten haben normalerweise eine Dicke von 30-80 µm. Es gibt aber auch anodisierte Schichten mit nur wenigen µm Dicke. Hier geraten klassische Härtemesssysteme mit der optischen Auswertung eines Eindrucks (Vickers-Verfahren) an ihre Grenzen. Besser eignet sich dafür das Verfahren der instrumentierten Eindringprüfung, mit dem nicht nur die Härte anhand der plastischen Verformung (HV), sondern auch weitere qualitätsbestimmende Eigenschaften ermittelt werden können. Mit diesem Messverfahren können zudem die Eloxalschichten auch ohne den Einfluss des Substrates gemessen werden.

Für solche technischen Anwendungen müssen die harteloxierten Schichten über den gesamten Schichtquerschnitt eine konstante Härte von 400-600 HV aufweisen. Weichere Eloxalschichten für dekorative Anwendungen liegen mit der Härte bei etwa 200-400 HV und erreichen diese wenige 100 nm unter der Oberfläche.

Das FISCHERSCOPE® HM2000 bietet mittels der sogenannten ESP-Messung (Enhanced Stiffness Procedure) die Möglichkeit, mechanische Eigenschaften wie die Vickers-Härte oder das elastische Eindringmodul tiefenabhängig zu ermitteln.

Abbildung 1 zeigt die Vickers-Härte HV (DIN-konform errechnet aus der Eindring-Härte HIT) und das Eindringmodul EIT zweier Eloxalschichten: einer Harteloxalschicht (480 HV) mit 11 µm Schichtdicke (rote Kurven) und einer weicheren Eloxalschicht mit 14 µm Schichtdicke (blaue Kurven). Die größere Standardabweichung der Harteloxalschicht beruht auf der raueren Oberfläche.

Abb. 1a: abgeleitete Werte zur Vickers-Härte (HV): Harteloxal (rot) und weiches Eloxal (blau)

Abb. 1b: Eindringmodul (EIT): Harteloxal (rot) und weiches Eloxal (blau)

Deutlich zu erkennen in Abb. 1a ist die gleichbleibende Härte für die gesamte Harteloxalschicht und die ansteigende Härte der weicheren Eloxalschicht. Die weichere Schicht hat zudem eine geringere Elastizität (Abb. 1b Eindringmodul). Beim Harteloxal nimmt die Elastizität zum Substrat hin ab.

Das FISCHERSCOPE® HM2000 ist hervorragend zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften dünner Eloxalschichten geeignete. Neben der Härte lassen sich weitere plastische und elastische Materialparameter ermitteln. Für mehr Informationen steht Ihnen Ihr Fischer-Ansprechpartner gerne zur Verfügung.

Nanoindentation auf verschleißmindernden DLC-Schichten im Motorenbereich

Um die Emissionen bei Verbrennungsmotoren ohne Leistungseinschränkungen zu senken, müssen bewegliche und verschleißanfällige Teile wie Nockenwellen, Kolbenringe und Zahnräder ständig optimiert werden. Eine solche Optimierung stellt die Beschichtung mit DLC (diamond like carbon) dar, welche sich durch eine hohe Härte aber auch durch eine gewisse Zähigkeit auszeichnet – Parameter, welche im Beschichtungsprozess entsprechend überwacht werden müssen.

DLC-Schichten bestehen hauptsächlich aus amorphem Diamant und amorphem Graphit. Sie dienen vor allem als Schutz gegen Verschleiß, sollen aber auch die Reibung minimieren. Aufgrund der dunklen Farbe dieser Beschichtungen und der meist sehr kleinen Durchmesser der Eindrücke ist eine optische Bestimmung der Härte durch Ausmessen des Indentoreindrucks sehr ungenau.

Eine viel genauere Methode zur Bestimmung der Härte von DLC-Schichten ist die Nanoindentation, bei der kontinuierlich während des Messablaufs die Kraft- und Wegdaten aufgezeichnet werden, sowohl während der Belastungs- als auch der Entlastungsphase. Damit lassen sich neben der Härte dünner Schichten auch weitere, die Qualität bestimmende Kenngrößen wie z. B. das Eindringmodul ermitteln. Zudem kann mit dieser Methode ein Substrateinfluss auf die Messwerte ausgeschlossen werden kann.

Beispielhaft werden die Messergebnisse einer 3 µm dünnen DLC-Schicht vorgestellt, ermittelt mit dem FISCHERSCOPE® HM2000. Die Martens-Härte (HM) berücksichtigt plastische und elastische Eigenschaften der Probe. Das Eindringmodul (EIT) hingegen lässt Rückschlüsse auf das elastische Verhalten zu. Die Eindring-Härte (HIT) und die daraus berechnete Vickers-Härte (HV) zeigen die plastischen Eigenschaften der Proben.

DLC-Schicht

HM

N/mm²

EIT/(1-vs²)

GPa

HIT

N/mm²

HV

X

8442,98

173,71

19 398,17

1833,13

s

785,22

15,89

2320,85

219,32

V/%

9,3

9,15

11,96

11,96

Abb. 1: Martens-Härte (HM) und weitere Parameter der DLC-Schicht, die Tabelle zeigt Mittelwert, Standardabweichung und Variationskoeffizient von 12 Messungen, die Grafik das tiefenabhängige Profil

Standardabweichung und Variationskoeffizienten zeigen, mit welcher Genauigkeit selbst bei rauen Proben mit geringen Schichtdicken die qualitätsrelevanten Kenngrößen bestimmt werden können. Dabei erlaubt das
FISCHERSCOPE HM2000 die Durchführung dieser Messungen mit:

  • Extrem schneller Probenpräparation
  • Kurzer Messzeit
  • Hoher Tiefenauflösung
  • Minimaler und damit vernachlässigbarer Geräte-Compliance („Nachgiebigkeit“)

Wenn es gilt, die mechanischen Eigenschaften von DLC-Schichten mit einer hohen Präzision zu bestimmen, ist das FISCHERSCOPE® HM2000 das geeignete Instrument. Zu weiteren Fragen steht Ihnen Ihr Fischer-Partner jederzeit zur Verfügung.

Messung von Nikasil®-Schichten in Aluminium-Zylindern

Zylinderlaufflächen von Motoren unterliegen in der Praxis hohen mechanischen Anforderungen. Ein Verfahren zum Schutz gegen Verschleiß ist die Beschichtung von Aluminiumzylindern mit Nikasil®. Diese Beschichtungstechnologie dient der Ver­besserung der tribologischen Eigenschaften und zur Optimierung des Wärmeübergangs. Sie wird hauptsächlich bei hochwertigen Motorenkomponenten von Premiummarken und im Motorsport eingesetzt.

Nikasil® (abgeleitet von Nickel-Karbid-Silizium – Ni-Ka-Sil) ist eine galvanisch aufgetragene Nickelmatrix mit eingebetteten Siliziumkarbid-Partikeln. Mit ihren hervorragenden tribologischen Eigenschaften ist die Nikasil®-Schicht der ideale Gleitpartner für Kolben und Ringe und kommt vorwiegend in hochwertigen Motorenkomponen­ten zum Einsatz, um die Reibung zwischen Zylindern und Motorblock zu minimieren. Die Nikasil®-Beschich­tung ist geeignet für Zwei- und Viertakt-Aluminiumzylin­der und Aluminium-Zylinderlaufbuchsen und wird von der Oldtimerszene bis zur aktuellen Formel 1 verwendet.

Abb. 1: Zylinderblock aus Aluminium mit gehonter Nikasil®-Beschichtung in den Zylinderlaufflächen. Schichtdicke ca. 20-50 µm

In der Praxis werden die Zylinderlaufflächen im Galvanikbad mit einer typischen Schichtdicke von 80-180 µm beschichtet. Daraufhin erfolgt eine erste Kontrolle der Schichtdicke mit dem individuell konfigu­rierbaren Tischgerät FISCHERSCOPE® MMS® PC2 mit dem Modul NICKELSCOPE® und der nach dem magnetischen Messprinzip arbeitenden Sonde ENW3.

Im nächsten Arbeitsschritt wird die Lauffläche gefräst und gehont, um die Gleiteigenschaften in den Zylindern zu verbessern. Als Ergebnis werden verbleibende Schichtdicken im Bereich von 25-50 µm angestrebt, wobei äußerst enge Toleranzvorgaben bei der anschließenden Schichtdickenmessung zu beachten sind. 

Die Sonde ENW3 ist das Herzstück der Messung und wird sowohl nach dem galvanischen Beschichtungsvorgang als auch nach dem Honen eingesetzt. Durch ihre Winkelform erreicht sie auch schwer zugängliche Stellen.

Die Messung in den Zylinderlaufflächen kann sowohl manuell als auch automatisiert erfolgen. Für eine Automatisierung wird das FISCHERSCOPE® MMS® PC2 mit einem digitalen I/O-Modul ausgerüstet und kann somit bis zu 6 Sonden ansteuern, welche gleichzeitig Messwerte aufnehmen und an das Gerät übertragen. Dadurch werden Messungen mit hoher Taktrate zur Qualitätsüberwachung in der laufenden Produktion möglich.

Für die präzise Messung der Schichtdicke von Nikasil®-Schichten steht mit dem FISCHERSCOPE® MMS® PC2 – ausgerüstet mit dem Modul NICKELSCOPE® und der Messsonde ENW3 – eine perfekte Lösung für die professionelle Qualitätsüberwachung zur Verfügung. Auch automatisierte Messungen mit mehreren Sonden sind realisierbar. Für weitere Informationen kontaktieren Sie bitte Ihren Ansprechpartner von Fischer. 

Messung von dicken NiP-Schichten auf kleinen Bauteilen im Automobilsektor

In der Automobilindustrie werden für Magnetventile von PKW-Automatikgetrieben sogenannte Anker eingesetzt. Um die Funktionsfähigkeit dieser Magnetventile sicherzustellen, müssen die Anker bis auf wenige µm genau in eine Zylinderform passen (Hüllforderung), um nicht durch Pendelbewegungen zu verkanten oder zu verklemmen. Zur Einhaltung der engen Toleranzvorgaben müssen die Anker sehr gleichmäßig beschichtet werden, was wiederum eine strenge Qualitätsüberwachung erfordert.

Bei der Herstellung von Bauteilen in der Automobilindustrie und im Maschinenbau ist oft die Einhaltung sehr enger Toleranzgrenzen nötig, um später eine einwandfreie Funktion der Bauteile zu gewährleisten. Wegen dieser geforderten hohen Maßhaltigkeit werden immer häufiger stromlos aufgetragene Metallschichten wie z. B. chemisch Nickel verwendet, da diese eine sehr gleichmäßige Beschichtung ermöglichen. Die Schichten bauen sich in der Regel viel homogener – also mit kleineren Schichtdickenschwankungen – auf, als galvanisch aufgetragene Schichten, die an Ecken und Kanten zu überhöhten Schichtdicken neigen.

In diesem Beispiel werden Stahl-Anker für Magnetventile mit einer ca. 60-70 µm dicken NiP-Schicht mit einem Phosphorgehalt von mind. 10 % überzogen und anschließend passgenau geschliffen. Die Dicke der geschliffenen Schicht beträgt ca. 50 µm und muss innerhalb eines Toleranzbereichs von ± 4 µm liegen.

Messobjekt

Schichtdicke

Standard-
abweichung

Anker ungeschliffen

67 µm

Ø 3 µm*

Anker geschliffen

50 µm

Ø 0,3 µm*

Überprüfung der Messgeräte-Streuung durch
Wiederholmessungen an einer Stelle

0,03 µm

Tab 1: Messwerte im Rahmen der Qualitätssicherung.
* je 10 Messungen durchgeführt an unterschiedlichen Messstellen pro Teil

Die Beschichtung selbst ist unmagnetisch und kann zur Wareneingangskontrolle und/oder nach dem Schleifen mit dem DUALSCOPE® FMP100 und der Sonde FGAB1.3 nach dem magnetinduktiven Verfahren vermes­sen werden. Die Sonde wird mit Hilfe eines Stativs V12 BASE aufgesetzt, um eine gleichmäßige Sondenpositionierung ohne Verkippen zu ermöglichen. Dadurch wird der Bedienereinfluss minimiert und es können äußerst wiederholgenaue Messungen erzielt werden. Die Standardabweichung beträgt bei Messung der geschliffenen Schicht durchschnittlich 0,3 µm, wobei die Messgerätestreuung mit 0,03 µm zu vernachlässigen ist. Für die geforderten Toleranzen ist damit die Messmittelfähigkeit sicher erfüllt.

Abb. 1: DUALSCOPE® FMP100

Mit dem DUALSCOPE® FMP100, der Sonde FGAB1.3 und dem Stativ V12 BASE können dicke NiP-Schichten auch auf kleinen Bauteilen präzise und mit einer extrem niedrigen Streuung vermessen werden. Damit lassen sich die Einhaltung äußerst enger Toleranzvorgaben überwachen, Qualitätsvorgaben einhalten und teure Reklamationen vermeiden. Für weitere Informationen steht Ihnen Ihr Ansprechpartner von Fischer gerne zur Verfügung.

Ihr Kontakt zu FISCHER

HELMUT FISCHER GMBH
INSTITUT FÜR ELEKTRONIK UND MESSTECHNIK
Sindelfingen/Deutschland

Kontakt
Wir sind persönlich für Sie da

Direkt Kontakt aufnehmen
Tel.: +49 (0) 70 31 / 3 03 - 0
E-Mail: mail@helmut-fischer.de
Online-Kontaktformular