Fachwörter-Lexikon
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Schichtdickenmessung – Coulometrie
Die coulometrische Schichtdickenmessung gehört zu den zerstörenden, chemischen Messverfahren und kann als Umkehrung der galvanischen Abscheidung betrachtet werden. Dabei wird eine definierte Fläche des Schichtwerkstoffs mit konstantem Strom unter Verwendung eines geeigneten, immer frisch zugeführten Elektrolyten anodisch abgelöst; zugleich wird das auftretende Potential (Spannungswert für den eingestellten Strom zwischen Anode (= Probe) und Kathode) gemessen. Sobald der Schichtwerkstoff vollständig abgelöst ist, ändert sich das Potenzial der Messzelle charakteristisch (Unterschied zwischen Schicht- und Substratwerkstoff). Die Schichtdicke ist proportional zur gemessenen Ablösezeit.
Das coulometrische Messverfahrens eignet sich für metallische Schichtwerkstoffe auf metallischen Substratwerkstoffen, die sich vom Schichtwerkstoff unterscheiden müssen. Ein Überblick über die Schicht-Substrat-Kombinationen, die mit dem coulometrischen Verfahren gemessen werden können, enthält die nachfolgende Tabelle [1]. Das Verfahren wird dort angewandt, wo die Messung der Schichtdicke mit zerstörungsfreien Messverfahren nicht möglich ist und mit anderen zerstörenden Messverfahren großen Aufwand erfordert. Geeignet ist das Verfahren zur messtechnischen Erfassung von Mehrschichtsystemen (z. B. Schicht aus Kupfer, Nickel und Chrom).
Tab.: Einsatzmöglichkeiten für die Coulometrie [3]
a Bei einigen Aluminiumwerkstoffen kann die Detektion des Sprungs der Messzellenspannung schwierig sein
b Das Verfahren kann nur angewandt werden, wenn die Gehalte an Phosphor oder Bor innerhalb bestimmter Grenzen liegen
c Das Verfahren ist empfindlich gegenüber der Legierungszusammensetzung
Bei dem nach dem coulometrischen Prinzip (gemäß DIN EN ISO 2177) arbeitenden Couloscope CMS2 (Abb. 1 aus [2]) wird die eigentliche Messzelle mit Dichtung auf die Messfläche aufgesetzte und damit definiert. Die verwendeten Elektrolyte sind auf die verschiedenen Schichtwerkstoffe abgestimmt; ein Ablösen erfolgt erst bei Stromfluss. Abbildung 2 zeigt die Funktion und die erhaltene Messkurve des Verfahrens.
Abb. 143: Coulometrisches Meßgerät [2]
Abb. 144: Prinzip der coulometrischen Messung [2]
Die Messung wird vorteilhafter Weise an einer einigermaßen ebenen Oberfläche durchgeführt und sollte mehrere (z.B 3 - 5) Einzelmessungen umfassen. Damit ist es auch möglich, die Schichtdickenverteilung zu bestimmten (Abb. 145). Die Genauigkeit des Verfahrens steigt mit der Schichtdicke und bietet bei Schichten mit einigen Mikrometern eine akzeptable Genauigkeit. Sehr vorteilhaft ist der geringe präparative Aufwand für die Messung.
Abb. 145: Messung an einer Rundprobe mit mehreren Messflecken
Literatur
[1] DIN EN ISO 2177: Metallische Überzüge - Schichtdickenmessung - Coulometrisches Verfahren durch anodisches Ablösen. Beuth-Verlag, Berlin, 2004
[2] Helmut Fischer GmbH, Institut für Elektronik und Messtechnik: COULOSCOPE CMS und COULOSCOPE CMS STEP. Messung von Schichtdicken und elektrochemischen Potenzialen nach dem coulometrischen Verfahren. Sindelfingen, 2008
Verbundwerkstoffe
Mehrphasige, makroskopisch homogene Werkstoffe (d. h. von außen ist der Verbund nicht erkennbar), deren Bestandteile oder Phasen in der Regel aus unterschiedlichen Werkstoffhauptgruppen (Metalle, Polymere oder Keramiken) stammen, die ineinander nicht löslich sind. Die überwiegende Komponente (nach Masse oder Volumen) wird als Matrix (bzw. Substrat oder Grundmasse) bezeichnet. Sie übernimmt die Erhaltung der Form, stützt die andere(n) Komponente(n) und schützt sie vor äußeren Einflüssen (z.B. Korrosion). In diese Matrix sind zur Verbesserung bestimmter Eigenschaften zwei oder mehrere andere Komponenten (Verbundphase) eingelagert. Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften übernimmt die Verbundphase bestimmte Funktionen (z.B. Festigkeit), die vom Matrixwerkstoff nicht erfüllt werden kann.
Zink - dekorative Anforderung
Als eine dekorative Schicht wird meist eine glänzende Schicht verstanden. Im Zusammenhang mit galvanisch aufgebrachten Metallschichten ist zu beachten, dass der Glanz vor allem durch die mechanische Oberflächenbearbeitung (Schleifen, Polieren) des Grundwerkstoffes erzeugt wird. Darüber hinaus kann durch Verwendung von speziellen Verfahrensvarianten der galvanischen Abscheidung (Glanzverfahren) der Glanzeffekt einer galvanischen Metallschicht nochmals gesteigert werden.
Dekorativen Effekt kann allerdings auch eine gleichmäßig mattierte Oberfläche besitzen. In diesem Fall wird die Oberfläche (nach Schleifen und Polieren) mittels Strahlverfahren (z.B. mit Glasperlen) oder durch Bürsten mattiert. Das dann verwendete galvanische Verfahren darf keinen Glanz erzeugen, sondern muss den Matteffekt erhalten; in diesem Fall wird von glanzerhaltenden galvanischen Verfahren gesprochen.
Für die Abscheidung von Zink stehen sowohl glanzerzeugende als auch glanzerhaltende Abscheideverfahren zur Verfügung. Durch eine zusätzlich aufgebrachte Passivierung/Versiegelung oder Transparenzlackierung kann der dekorative Effekt der Beschichtung konserviert werden.
Schwarze Zinkschichten (in der Regel auf Basis einer galvanischen Zink-Eisen-Schicht mit Nachbehandlung) können sowohl in matter als auch in glänzender Ausführung hergestellt werden.