Fachwörter-Lexikon
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Oberflächenvermessung - optisch
Wesentliche Vorteile der optischen (berührungslose Verfahren) im direkten Vergleich zu taktilen Messverfahren sind die einfachere Handhabung und deutlich schnellere Messprozedur. Durch Verschiebung der Fokuslage an der Oberfläche können in wenigen Minuten quantitative Informationen über Oberflächentopografie, Rauheit, Stufenhöhen oder Steigungswinkel gewonnen werden. Speziell bei neueren Geräten wird durch die Überlagerung verschieden scharfer Fokusebenen eine exakte 3D-Abbildung der Oberflächenstruktur, erzielt, während klassischen Tastschnittverfahren nur Linienprofile erstellen. Die Auswertung flächiger Topografien kommt insbesondere bei ungerichteten Strukturen wie z.B. Honriefen oder Lunker zugute.
Das berührungslose Messen erlaubt auch die Abtastung sehr weicher Oberflächen (z.B. Polymere oder Pulver) oder labiler Bauteile, die durch eine Tastspitze zerstört oder nicht erfasst werden. Ebenso kann bedingt durch transparente Deckschichten hindurchgemessen werden.
Zum berührungslosen Messen von Rauheitskennwerten sind insbesondere Geräte verbreitet, die auf dem Prinzip der Weißlichtinterferometrie oder der Konfokaltechnik basieren. Die Konfokaltechnik hat sich vor allem etabliert, da diese Systeme im Vergleich zu Geräten mit dem Interferometrie- oder Triangulationsverfahren weitestgehend vom Reflektionsgrad der zu untersuchenden Oberfläche unabhängig sind und bereits mit ca. 4% reflektiertem Primärlicht arbeiten können. Die Interferometrie ist nur bedingt zur Messung rauer Oberflächen eingesetzbar und das Triangulationsverfahren arbeitet bei glatten Oberflächen zu ungenau.
Autoren: Prof. Dr.-Ing. Dietmar Schorr, M.Sc. Franz Xaver Breit
Schichtdicke - Schliffmethoden
Das mikroskopische Schichtdickenmessverfahren an Querschliffen ist eine der am weitesten verbreitete, zerstörende Verfahren zur Untersuchung von Schichtdicken (in der Regel ≥ 3 µm). Mit ihr können nahezu alle Schichtarten (z.B. Metall-, Oxid-, Lack-, Spritzschichten) untersucht werden. Abhängig von dem zu untersuchenden Werkstoff ist zur Herstellung einwandfreier Querschliffe ein individuelles Präparationsrezept nötig.
Ein Probenstück mit wenigen Zentimeter Kantenlänge (evtl. Entnahme aus dem zu untersuchenden, größeren Objekt) wird gereinigt und mittels Warm- oder Kalteinbettmethode in einem passenden Einbettmittel fixiert. In mehreren Schleif- und Poliervorgängen unter Zugabe geeigneter Suspensionen wird die Probe geschliffen und poliert und dadurch ein Querschliff durch die zu untersuchende Zone der Schicht hergestellt. Am Querschliff kann die Beschichtung mit einem Lichtmikroskop oder Rasterelektronenmikroskop untersucht werden. Zusätzlich können durch Anätzen der polierten Querschliffoberfläche die Schichten sowie das darunter liegende Gefüge kontrastiert und dadurch besser sichtbar gemacht werden.
Aufgrund der hohen Präzision wird das Verfahren oftmals als Referenzmethode herangezogen. Nachteilig ist die relativ lange Dauer zur Schliffherstellung (speziell bei der Kalteinbettung).
Das Schrägschliffverfahren ist eine abgeänderte Variante der Querschlifftechnik, bei dem durch eine schräge Schliffpräparation die Analysefläche vergrößert und die Schichtdicke optisch verbreitert wird. Unter Berücksichtigung des Probenneigungswinkels wird anschließend durch geometrische Verhältnisse die wahre Schichtdicke berechnet. Aufgrund der vergrößerten Projektionsebene fällt die Messunsicherheit im Vergleich zum herkömmlichen Querschliffverfahren entsprechend geringer aus, sodass sich die Schrägschliffmethode vorwiegend für Schichten ≤ 1 µm anbietet.
Mit dem Kalottenschliffverfahren lässt sich neben der Verschleißbeständigkeit auch die Schichtdicke bestimmen. Hierfür wird eine gehärtete Stahlkugel gegen die Probenoberfläche gedreht, so dass anschließend nach einer gewissen Zeit eine Kalotte in die Schicht eingeschliffen wird (Abb. 1). Für eine Schichtdickenbestimmung muss die Kalotte durch die Schicht bis zum Grundmaterial eingeschliffen werden. Im Allgemeinen wird beim Schleifvorgang eine abrasive Diamantsuspension zugegeben. Die Kalotte weist einen vergleichsweise flachen Schleifwinkel auf, wodurch die Projektionsebene und die Schicht um bis zu einem Faktor 100 verbreitert werden kann.
Abb. 1: Prinzip des Kalottenschliffverfahrens
Abhängig von der verwendeten Probengeometrie ergeben sich bei der Betrachtung mit einem Mikroskop konzentrische Kreise für ebene und elliptisch geformte für gekrümmte Oberflächen. Aus den Durchmessern dieser Kreise bzw. Kreisringe lässt sich die Schichtdicke berechnen. Das Verfahren ist für PVD/CVD- sowie galvanische Schichten mit einer Dicke zwischen 0,3 µm und 30 µm geeignet.
Beim Keilschnittverfahren wird mithilfe einer Schneide unter einem vorgegebenen Winkel die Beschichtung auf der Probe durch keilförmiges Einschneiden verletzt (Abb. 2). Auf Basis geometrischer Beziehungen kann die Schichtdicke durch den Schnittwinkel und die mit einem Mikroskop ermittelte Schichtdicke an der Schnittflankenprojektion berechnet werden.
Abb. 2: Keilschnittprinzip
Chromschichten – Korrosionsbeständigkeit
Chrom besitzt eine gute Korrosionsbeständigkeit, weil sich in Kontakt mit Luft ein sehr beständiges Chromoxid bildet und das Metall passiv wird. Danach verhält es sich ähnlich wie ein Edelmetall. Treten in einer Chromschicht Risse oder Poren auf, so werden unter Einwirkung eines Korrosionsmediums Nickel oder Eisenwerkstoffe (auf die Chrom abgeschieden wird) angegriffen. Im Falle von dekorativen Chromschichten, die meist Dicken von weniger als 1 µm aufweisen, kann der Korrosionsangriff auf den Grundwerkstoff durch die bewußte Herstellung von sogenannten mikrorissigen Chromschichten vermindert werden. Fachleute der Galvanotechnik können bei Vorliegen der Beanspruchungsformen den Aufbau des Schichtsystems und die Arte der Chromabscheidung auf die Anforderungen hin optimieren. Für hohe mechanischen und korrosive Anforderungen haben sich beispielsweise Kombinationen aus chemisch abgeschiedenen Nickelschichten (hohe Härte) und Hartchromschichten (hohe Härte und hohe Korrosionsbeständigkeit) bewährt.