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Analysengeräte für die Oberflächenanalytik

15.07.2018

Abbildung 1 gibt einen Überblick über typische Analysegeräte für die Strukturanalyse als zentralem Element der Verschleiß- und Schadensanalytik zur Klärung der Schadensursache. 

Abb. 1: Analysengeräte für Verschleiß- und Schadensanalyse

 

Oberflächen- und Formanalyse – Die Lichtmikroskopie dient hauptsächlich zur Dokumentation und zur visuellen Erfassung der Schadenssituation. Schwerzugängliche Stellen können mit einem Endoskop untersucht werden. Bei Schäden ist immer auch die Makrogeometrie vom Interesse und hierbei insbesondere Form- und Lageabweichungen. 

Die Mikrostruktur der Topografie wird mit berührungslosen hochauflösenden optischen Messgeräte wie Weißlichtinterferometer und Konfokalmikroskope vermessen. Hiermit ist eine genaue Messung der Struktur möglich, was Grundvoraussetzung zur Bestimmung der physikalischen Wirkkette des Schadensablaufes ist. Bei den der Optik nicht zugänglichen Stellen oder für die Messgeräte zu große Bauteilgrößen werden Negativformen mit einem Abformmaterial erzeugt und diese vermessen. Besonders vorteilhaft sind dabei dünnflüssige Silikone mit denen Strukturen bis 0,1 µm abgeformt werden können. Diese lassen auch Untersuchungen mit dem Rasterelektronenmikroskop bei kleinen Beschleunigungsspannungen zu.

Zur Oberflächenanalyse gehört bei geschmierten Systemen auch die Bestimmung der Benetzbarkeit der Oberflächen, z.B. mit Kontaktwinkelmessgeräten. Die Benetzbarkeit wird bestimmt durch den Werkstoff, die Bearbeitungsverfahren, den Energieeintrag während der Fertigung und durch die Topografie.

Beschichtungsanalytik – Bei Einsatz beschichtete Reibkontaktpartner müssen die Schichteigenschaften bestimmt werden: Schichtaufbau, Schichthärte, Schichtdicke, Haftfestigkeit. Hierfür werden Nano- und Mikrohärteprüfgeräte bzw. Nano- und Mikro-Ritztester verwendet. Bei Dünnschichtsystemen eignet sich zur Schichtdickenbestimmung ein spektroskopisches Reflektometer, mit dem Mehrfachschichtsysteme mit minimalen Schichtdicken von bis zu 30 nm vermessen werden können.

Eine besondere Methode für Beschichtungsanalytik stellt die Photothermie dar. Hierbei dringt ein Laser in den oberflächennahen Bereich ein und ein Detektor misst die abgestrahlten thermischen Wellen. Alle Größen, die den Phasenversatz zwischen Anregung und Antwort beeinflussen, sind damit messbar und somit auch Schichteigenschaften wie Dicke und Haftfestigkeit. Vorteil dieses indirekten und vergleichenden Verfahrens ist die Erfassung großer Bereiche und eine zerstörungsfreie Messung.

Material- und Beschaffenheitsanalyse – Die Eigenschaften eines Tribosystems werden maßgeblich durch die unmittelbar an die Oberfläche angrenzenden Material- und Beschaffenheitseigenschaften bestimmt, z.B. die Mikrohärte oder der Gefügezustand. Zyklisch beanspruchte Tribosysteme können mittels Photothermie auf den Ermüdungszustand untersucht werden. Auch von Interesse sind beispielsweise das Vorhandensein von thermische Schädigungen wie Schleifbrand (Anlasszonen, Neuhärtezonen).