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Festigkeit von Oberflächen und Multischichtsystemen

Analyse von Dünnschichten
Kratergröße zeigt, wie fest die Schicht ist

Kratergröße zeigt, wie fest die Schicht ist
Die Schichtoberfläche wird im Gerät mit einem Strahl mit Mikropartikeln behandelt. Diese tragen Material ab, und der Vergleich von Vertiefung und verbrauchter Menge an Metallpartikeln lässt auf die Festigkeit der Oberfläche schließen Bild: Rubröder International Trading
Analyse von Dünnschichten | Mit einem neuen, präzisen Testverfahren auf der Basis eines wässrigen Metalloxidpartikelstrahls lässt sich die Festigkeit von Oberflächen und Multischichtsystemen prüfen. Von Gummi bis Diamant.

Anna-Maria KöstlerFachjournalistin in München

Kavitationserosion, Reibe- und Ritztests wurden bisher verwendet, um die Festigkeit von Oberflächen in der Medizintechnik zu analysieren. Für dünne Schichten sind diese jedoch oft nicht geeignet oder können Schichten sowie Substrate beschädigen, die unter der zu untersuchenden Schicht liegen. Daher hat das japanische Unternehmen Palmeso Co., Ltd. mit der Fukui Universität das Micro-Slurry-Jet-Erosion (MSE)-Testsystem entwickelt. Es basiert auf dem Effekt von Mikropartikeln, die auf die Oberfläche treffen. Mit dem Verfahren lassen sich harte Materialien wie Diamant, aber auch weiches Material wie Gummi und neuerdings auch gelartige Oberflächen überprüfen.
Das MSE-Testsystem wird seit 2015 von der Rubröder International Trading GmbH in Bendorf vertrieben. „Es nutzt die Erosionskraft eines Mikropartikelstrahls als neuen Referenzstandard“, erklärt Paul Riedel, Geschäftsführer der Rubröder International Trading. „Der Strahl erzeugt einen definierten Materialabtrag, sodass die Festigkeitsverteilung unabhängig vom Härtegrad des Materials bis in eine Tiefe von etwa 200 Mikrometern gemessen werden kann.“
Das von Palmeso entwickelte Gerät enthält eine Erosionskammer sowie einen Erosionstiefenmesser (Profilometer). Der Micro-Jet besteht aus einem Gemisch aus Wasser und 1,2 μm großen Metallpartikeln, vor allem mehrwinkliges Aluminiumoxid, in speziellen Fällen auch Siliziumoxid. Dieses Gemisch wird einer Düse in der Erosionskammer zugeführt und mittels Druckluft auf das Material geschossen.
Der Strahl trifft mit einer Geschwindigkeit von 100 m/s bei einem Durchsatz von 10 Mrd. Partikeln pro Sekunde auf der Oberfläche auf und trägt diese gezielt ab, ohne darunter liegende Schichten oder Substrate zu beschädigen. Es handelt sich also um eine semi-zerstörungsfreie Prüfung.
Vermessen mit einer Auflösung von 10 bis 20 nm
Im Prozess entstehen trichterförmige Vertiefungen, die mit einer Auflösung von 10 bis 20 nm vermessen und zu der verbrauchten Menge an Partikeln ins Verhältnis gesetzt werden. Da sich die Strahlgeschwindigkeit für jedes Material einstellen lässt, werden die Grundeigenschaften des Werkstoffs nicht beeinträchtigt.
Aus wie vielen Schichten das Material besteht und in welcher Reihenfolge diese übereinander liegen, spielt bei der Prüfung keine Rolle. Das Verfahren vermisst jede einzelne Lage, solange diese eine Mindestdicke von 100 nm aufweist und insgesamt nicht dicker als 200 μm ist. Theoretisch lassen sich nun neben extrem dünnen Schichten, die bisher nicht oder nur schwer messbar waren, auch Mehrschichtsysteme mit bis zu 2000 Lagen analysieren. Im Durchschnitt dauert die Prüfung ein bis zwei Stunden. Je nach Materialart und Härtegrad kann sie aber auch längere oder kürzere Zeit in Anspruch nehmen.
Die so gewonnenen Daten werden auf einen PC übertragen und mittels Software ausgewertet. In einer Datenbank sind die Festigkeitskennzahlen für unterschiedliche Beschichtungen hinterlegt, was das qualitative Einordnen der Zahlen erleichtert. So können Materialfehler schnell erkannt und analysiert werden.
Während bei den bisherigen Methoden nur eine punktuelle Messung der Festigkeit möglich war, kann mit dem MSE-Testsystem auch die Festigkeitsverteilung von der Oberfläche bis in 200 µm Tiefe mit einer Auflösung von 10 bis 20 nm bestimmt werden. Dadurch lassen sich Beschichtungsverfahren optimieren. ■
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