Hartstoffschichten im Scratch-Test

Wer billig kauft, kauft zwei Mal: das gilt besonders für Werkzeuge. Deshalb werden hochwertige, professionelle Schneidewerkzeuge mit Hartstoffschichten versehen, um Verschleiß zu vermeiden. Die Überprüfung solcher Beschichtungen ist eine Aufgabe für den Scratch-Tester.

Hartstoffschichten im Scratch-Test

Ob die funktionale Beschichtung eines Bohrers lange ihren Dienst erfüllt, oder ob eine vergoldete Uhr auch noch nach Jahren glänzt, hängt von den adhäsiven und kohäsiven Eigenschaften der Beschichtung ab. Wenn eine Lackierung sich abnutzt, kann das Problem beispielsweise in dem Beschichtungsmaterial liegen. Viele Risse und Schäden entstehen aber an der Grenzfläche von Beschichtung und Grundmaterial.

Der Scratch-Test ist eine weitverbreitete Methode, um die Belastungen, denen eine Beschichtung im alltäglichen Gebrauch ausgesetzt ist, im Labor zu simulieren. Dabei wird ein Diamant-Indentor mit einer abgerundeten Spitze (Rockwell) mit konstanter Geschwindigkeit über die Probe gezogen. Der entstehende Kratzer auf der Oberfläche gibt Aufschluss darüber, wie sich die Beschichtung im Alltag verhalten wird.

Prüfung von verschiedenen Stoffen

Das FISCHERSCOPE® ST200 ist das erste Scratch-Test-System von Fischer. Das Gerät bietet verschiedene Mess-Modi. So kann die Prüfkraft, die der Indentor auf die Oberfläche ausübt, entweder konstant gehalten oder erhöht werden. Der Scratch-Test mit einer konstanten Prüfkraft wird in der Regel verwendet, um die Kratz- oder Ritzhärte zu bestimmen. Viel häufiger wird aber der progressive Modus angewandt. Dabei wird die Kraft, die auf die Oberfläche wirkt, entweder stufenweise oder linear erhöht.

Bei zunächst sehr geringer Last fährt der Indentor über die Beschichtung. Mit steigender Kraft dringt er nach und nach in die Beschichtung ein. Mit der Eindringtiefe erhöht sich auch die Materialbeanspruchung, sodass es ab einer bestimmten Kraft – der kritischen Last Lc – zu Materialversagen kommt: Es bilden sich Risse und die Beschichtung splittert ab.

Damit der Test aussagekräftig ist, muss die Prüfkraft richtig gewählt werden. Bei zu niedrigen Kräften wird die Beschichtung kaum beansprucht; bei sehr hoher Last dringt der Indentor in das Substrat ein und kann so beschädigt werden.

Bei Hartstoffschichten, wie beispielsweise Titannitrid oder DLC (diamond like carbon), sind häufig Prüfkräfte über 30 –50 N nötig, um großflächige Absplitterungen auszulösen. Weichere Materialien wie Lacke erfordern dagegen geringe Prüfkräfte, da die Beschichtung meistens sehr viel früher versagt.

Um verschiedenen Beschichtungen gerecht zu werden, bietet das ST 200 eine große Spannweite an möglichen Prüfkräften von 0,1 bis 200 N. So ist es bestens für die Messungen an Hartstoffschichten geeignet und erlaubt auch die Prüfung von dickeren Lackschichten.

Auswertung: ein geschultes Auge nötig

Der Scratch-Test ist ein vergleichendes Testverfahren, das immer auf Referenzmessungen beruht. Die Auswertung findet in erster Linie optisch statt. Unter dem hochauflösenden Mikroskop stellt der Prüfer fest, ab welcher Kraft sich die ersten Risse gebildet haben, oder wann die Beschichtung komplett abgesplittert ist.

Unterstützend zu der mikroskopischen Auswertung kann das ST 200 auch die akustischen Emissionen, also das Kratzgeräusch, und die Tangentialkraft, also den Widerstand, den das Material gegen den Indentor ausübt, erfassen. Ist das Kratzen lauter geworden? Oder geht der Diamant plötzlich schwerer durch die Schicht? Beides ist ein Zeichen für Materialversagen.

Die intuitive Benutzeroberfläche der Software WinSCU fasst alle drei Parameter in einer Auswertung zusammen: die mikroskopische Aufnahme, das akustische Signal und die Veränderung der Tangentialkraft. Mit nur wenigen Mausklicks können so die kritischen Lasten definiert werden.

 

 

 

DLC

 
  • Übliche Schichtdicke: 1 – 5 μm auf Stahl, anderen Metallen und Halbleitern
  • LC1: Erste Risse treten meistens bei Kräften zwischen 10 und 15 N auf
  • Häufige Schadensmuster: Die Risse entstehen am Rand der Kratzspur und sind meistens nach innen gerichtet

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TiN

 
  • Übliche Schichtdicke: 1–5 μm auf verschiedenen Stählen
  • LC1: Erste Risse treten meistens bei Kräften um die 8 N auf
  • Häufige Schadensmuster: Die Risse entstehen am Rand der Kratzspur und sind meistens nach außen gerichtet

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Car paint

 
  • Übliche Schichtdicke: 50 μm bei mehreren übereinanderliegenden Lackschichten auf Füller und der Karosserie
  • LC1: Erste Risse treten meistens bei Kräften zwischen 5 und 10 N auf
  • Häufige Schadensmuster: die Risse verlaufen innerhalb der Kratzspur und sind tannenbaumförmig

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Weitere Scratch-Tester geplant

Das ST 200 vervollständigt das Portfolio für die Werkzeug- Industrie. Zusammen mit den Nanoindentations- Systemen und dem Röntgenfluoreszenz- Gerät XDAL bietet Fischer eine Gesamtlösung für die Qualitätssicherung rundum TiN- und DLC-Beschichtungen.

Für die Messung auf weichen Materialien wie Polymeren und Kunststoffen ist ein weiterer Scratch-Tester geplant. Das FISCHERSCOPE ST 30 wird Mitte dieses Jahres vorgestellt.

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