Was ein Scratch-Tester leistet
Ein Scratch-Tester beantwortet eine praktische Frage: Wie viel Last verträgt eine beschichtete Oberfläche, bevor sie beschädigt wird, und wie versagt sie? Er zieht eine Spitze unter kontrollierter Normallast über die Oberfläche, zeichnet die Reaktion auf und bildet den Ritz anschließend ab, damit jedes Versagen lokalisiert und einer Last zugeordnet werden kann. Hartstoffschichten auf Werkzeugen, Lacke und Klarlacke, optische und elektronische Dünnschichten, Polymer- und Medizinproduktbeschichtungen werden auf diese Weise qualifiziert.
Da das Ergebnis eine Last ist, bei der ein definiertes Versagen eintritt, ist die Ritzprüfung schnell durchgeführt und leicht zwischen Proben, Prozessen oder Lieferanten zu vergleichen. Deshalb wird sie sowohl in der Schichtentwicklung als auch in der Qualitätskontrolle der Fertigung eingesetzt.
So funktioniert ein instrumentierter Scratch-Tester
- Die Probe wird mit dem integrierten Videomikroskop unter der Spitze positioniert.
- Ein optionaler Vorscan bei sehr niedriger Last erfasst das Oberflächenprofil entlang des späteren Ritzes.
- Die Spitze fährt die eingestellte Länge ab, während die Normallast aufgebracht wird: linear steigend bei einer progressiven Prüfung oder konstant.
- Eindringtiefe, Reibung und Schallemission werden kontinuierlich aufgezeichnet.
- Ein Nachscan bei niedriger Last liefert die Resttiefe. Im Vergleich mit Vorscan und Eindringtiefe trennt sie die elastische Rückfederung von der bleibenden Verformung (True Depth, Europäisches Patent Nr. 0663068).
- Die mitlaufende Zoomansicht bildet den ganzen Ritz ab; jedes Versagen wird lokalisiert und in eine kritische Last umgerechnet.
Arten der Ritzprüfung
- Progressive Last: Die Last steigt entlang des Ritzes linear an. In einer einzigen Überfahrt ergeben sich die kritischen Lasten für kohäsives Versagen (Risse, Abplatzungen) und adhäsives Versagen (Ablösung) nach ASTM C1624, ISO 20502 oder ASTM D7027.
- Konstante Last: Die Last ist fest. So werden die Ritzhärte nach ASTM G171 und die Mar-Beständigkeit bestimmt und die Gleichmäßigkeit einer Oberfläche geprüft.
- Mehrfach- und Hin-und-her-Ritzen: Die Spitze fährt bei unterkritischer Last wiederholt dieselbe Spur ab und zeigt, wie sich Schäden anhäufen und wie viele Überfahrten eine Schicht übersteht. Siehe Mehrfach-Ritzverschleiß.
Nano, Mikro oder Makro: den Lastbereich wählen
Welcher Scratch-Tester passt, hängt von Dicke und Härte der Schicht ab. Eine zu hohe Last durchdringt eine Dünnschicht sofort; eine zu niedrige bringt eine harte Schicht nie zum Versagen.
- Nano-Ritzprüfung arbeitet mit einem Piezoaktor, Lastbereichen von 80 mN bis 4800 mN und feinen Spitzen, in den veröffentlichten Studien bis hinab zu 2 µm Radius. Sie eignet sich für dünne Schichten, Lacke und Polymerbeschichtungen sowie kleine Strukturen wie Stentstreben.
- Mikro-Ritzprüfung arbeitet mit einem Servomotor, Lastbereichen von 20 N bis 400 N und Rockwell-C- oder sphärokonischen Spitzen. Sie eignet sich für Nitrid-, DLC- und andere Hartstoffschichten, Lacke auf Metall und Elektrodenbeschichtungen.
- Makro-Ritzprüfung an einem Tribometer arbeitet mit Spitzen von 200, 500 oder 800 µm Radius für dicke und sehr harte Schichten wie Anodisierschichten.
Das PB1000 trägt Nano- und Mikromodul gemeinsam, sodass ein Schichtsystem in beiden Bereichen geprüft werden kann, ohne die Probe in ein anderes Gerät umzusetzen.
Worauf man bei einem Scratch-Tester achten sollte
- Direkte vertikale Belastung mit unabhängigen Last- und Tiefensensoren und geschlossener Lastregelung, sodass die aufgebrachte Last die gemessene Last ist, ohne Ausleger oder Drehpunkt.
- Auflösung und Rauschen im benötigten Bereich. Die Module von NANOVEA erfassen Last und Tiefe mit 24 Bit und messen Schallemission bei 150 bis 400 kHz mit 0,005 aJ Empfindlichkeit.
- Abbildung des ganzen Ritzes, nicht nur einzelner Bilder, damit jedes Versagen nach der Prüfung lokalisiert und erneut betrachtet werden kann.
- Positionierung und Automatisierung: Prüfung mehrerer Proben mit Höhenunterschieden bis 50 mm, kartierte Ritzserien und gespeicherte Rezepte für reproduzierbare Qualitätskontrolle.
- Umgebungen: Hochtemperatur-, Tieftemperatur-, Feuchte- und Flüssigkeitsmodule für Beschichtungen, die heiß, kalt oder nass arbeiten.
- Eindringprüfung im selben System, denn Härte und E-Modul helfen zu erklären, warum eine Schicht dort versagt, wo sie versagt.
Ritzergebnisse richtig lesen
Eine kritische Last ist kein absoluter Haftungswert. Sie hängt neben der Bindung selbst von Spitzenradius, Belastungsrate, Schichtdicke, Substrathärte und Reibung ab. Ritzprüfungen sind daher als Vergleiche unter identischen, angegebenen Bedingungen am aussagekräftigsten: zum Ranking von Beschichtungen, zum Vergleich von Abscheideprozessen und zur Prüfung von Fertigungschargen. Tiefen- und Resttiefendaten ergänzen, was Bilder allein nicht zeigen, etwa welcher Anteil der Verformung elastisch war und in welcher Tiefe die Schicht nachgab.
