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20.04.2018

Scratch-Test-System Fischerscope ST200 von Helmut Fischer

Hartstoffschichten im Scratch-Test

Wer billig kauft, kauft zweimal, das gilt besonders für Werkzeuge. Bei einem billigen Bohrer kann die Spitze schon nach wenigen Bohrungen völlig abgenutzt sein. Um das zu verhindern, werden hochwertige, professionelle Schneidewerkzeuge mit Hartstoffschichten versehen. Die Prüfung solcher Beschichtungen ist ein Fall für den Scratch-Tester.

Scratch-Test-System Fischerscope ST200 (© Helmut Fischer)

Scratch-Test-System Fischerscope ST200 (© Helmut Fischer)

Ob die funktionale Beschichtung eines Bohrers lange ihren Dienst erfüllt oder ob eine vergoldete Uhr auch noch nach Jahren glänzt, hängt von den adhäsiven und kohäsiven Eigenschaften der Beschichtung ab. Wenn eine Lackierung sich abnutzt, kann das Problem beispielsweise im Beschichtungsmaterial liegen. Viele Risse und Schäden entstehen aber an der Grenzfläche von Beschichtung und Grundmaterial.

Der Scratch-Test ist eine weitverbreitete Methode, um die Belastungen, denen eine Beschichtung im alltäglichen Gebrauch ausgesetzt ist, im Labor zu simulieren. Dabei wird ein Diamant-Indentor mit einer abgerundeten Spitze (Rockwell) mit konstanter Geschwindigkeit über die Probe gezogen. Der entstehende Kratzer auf der Oberfläche gibt Aufschluss darüber, wie sich die Beschichtung im Alltag verhalten wird.

Prüfung von verschiedenen Stoffen

Das Fischerscope ST200 ist das erste Scratch-Test-System von Helmut Fischer, Sindelfingen (Bild 1). Das Gerät bietet verschiedene Messmodi. So kann die Prüfkraft, die der Indentor auf die Oberfläche ausübt, entweder konstant gehalten oder erhöht werden.

Der Scratch-Test mit einer konstanten Prüfkraft wird meist verwendet, um die Kratz- oder Ritzhärte zu bestimmen. Viel häufiger wird der progressive Modus angewandt. Dabei wird die Kraft, die auf die Oberfläche wirkt, entweder stufenweise oder linear erhöht. Bei zunächst sehr geringer Last fährt der Indentor über die Beschichtung. Mit steigender Kraft dringt er nach und nach in die Beschichtung ein. Mit der Eindringtiefe erhöht sich auch die Materialbeanspruchung, sodass es ab einer bestimmten Kraft – der kritischen Last LC – zu Materialversagen kommt: Es bilden sich Risse, und die Beschichtung splittert ab (Bild 2).

Richtige Wahl der Prüfkraft

Damit der Test aussagekräftig ist, muss die richtige Prüfkraft gewählt werden. Bei zu niedrigen Kräften wird die Beschichtung kaum beansprucht; bei sehr hoher Last dringt der Indentor in das Substrat ein und nutzt sich so schneller ab. Bei Hartstoffschichten, wie beispielsweise Titannitrid oder DLC, sind häufig Prüfkräfte von 30 bis 50 N nötig, um großflächige Absplitterungen auszulösen. Weichere Materialien wie Lacke erfordern dagegen geringe Prüfkräfte, da die Beschichtung meistens sehr viel früher versagt.

Um verschiedenen Beschichtungen gerecht zu werden, bietet das Scratch-Test-System eine große Spannweite an möglichen Prüfkräften von 0,1 bis 200 N. So ist es bestens für die Messungen an Hartstoffschichten geeignet, erlaubt aber auch die Prüfung von dickeren Lackschichten. Damit möglichst viele verschiedene Teile geprüft werden können, verfügt das Scratch-Test-System über eine weit verfahrbare Z-Achse. So passen auch Proben, die 8 cm dick sind, in den Tester.

Auswertung erfordert geschultes Auge

Der Scratch-Test ist ein vergleichendes Testverfahren, das immer auf Referenzmessungen beruht. Die Auswertung findet in erster Linie optisch statt. Unter dem hochauflösenden Mikroskop stellt der Prüfer fest, ab welcher Kraft sich die ersten Risse gebildet haben oder wann die Beschichtung komplett abgesplittert ist.

Unterstützend zur mikroskopischen Auswertung kann das Scratch-Test-System auch die akustischen Emissionen, also das Kratzgeräusch, und die Tangentialkraft, also den Widerstand, den das Material gegen den Indentor ausübt, erfassen. Ist das Kratzen lauter geworden? Oder geht der Diamant plötzlich schwerer durch die Schicht? Beides ist ein Zeichen für Materialversagen. Die intuitive Benutzeroberfläche der Software WinSCU fasst alle drei Parameter in einer Auswertung zusammen: die mikroskopische Aufnahme, das akustische Signal und die Veränderung der Tangentialkraft. Mit nur wenigen Mausklicks können so die kritischen Lasten definiert werden.

Mit dem Scratch-Test-System vervollständigt der Gerätehersteller sein Portfolio für die Werkzeugindustrie. Zusammen mit Nanoindentations-Systemen und dem Röntgenfluoreszenz-Gerät XDAL bietet Fischer eine Gesamtlösung für die Qualitätssicherung rund um TiN- und DLC-Beschichtungen. Für die Messung auf weichen Materialien wie Polymeren und Kunststoffen ist ein weiterer Scratch-Tester geplant, der 2018 vorgestellt werden soll.

Helmut Fischer GmbH Inst. Elektronik + Meßtechnik
www.helmut-fischer.de

Unternehmensinformation

Helmut Fischer GmbH Inst. Elektronik + Meßtechnik

Industriestr. 21
DE 71069 Sindelfingen
Tel.: 07031 303-0
Fax: 07031 303-79

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