DE19950310A1 - Verfahren zum Prüfen von Hartstoffschichten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung der Haftfestigkeit von Hartstoffschichten oder Schichtverbunden, bei dem in zwei jeweils zeitlich aufeinander folgenden Verfahrensschritten, jedoch in einer nur einmal vollzogenen Aufspannung des Prüflings zunächst ein Ritztest und anschließend ein Eindrucktest nach der Art einer Rockwell-C-Prüfung durchgeführt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen der Haftfestigkeit von Hartstoffschichten oder Schichtverbunden sowie ein Gerät zur Verfahrensdurchführung mit deren Hilfe die Bestimmung bzw. Prüfung der Haftfestigkeit mit einfachen Mitteln aussagesicher durchführbar ist.

Für die Haftfestigkeitsprüfung dünner Hartstoffschichten, beispielsweise mit Schichtdicken zwischen 2 und 10 µm die sowohl nach dem CVD- als auch nach dem PVD-Verfahren auf entsprechende Substrate abgeschieden sein können, sind verschiedene Verfahren entwickelt worden, um den Werkstoff Schichtverbund hinsichtlich seiner Haftfestigkeit charakterisieren zu können.

So wird beispielsweise im Falle eines Laser-Puls-Tests in die Rückseite eines Substrat-Schicht-Verbundes mit einem gepulsten Laserstrahl Energie eingebracht und eine Schockwelle erzeugt, die nach dem Durchlaufen der gesamten Substratdicke an der Schichtseite Abplatzungen und Delaminationen verursacht, wobei die eingebrachte Energiemenge als Maß für die Haftfestigkeit der Schicht herangezogen wird.

Obzwar dieses Verfahren überwiegend positiv zu beurteilen ist, stehen ihm an Nachteilen die relativ hohen Kosten für den Aufbau der Versuchseinrichtung sowie die hier erforderliche speziell herzurichtende Probengeometrie entgegen.

Andere dem gleichen Zweck dienende Verfahren, wie der hinreichend bekannte Ritztest als auch der ebenso bekannte Rockwell-Eindrucktest sind hinsichtlich der Bereitstellung der Versuchs- bzw. Prüfeinrichtungen als auch bezüglich der Probenform relativ einfach und kostengünstig durchführbar. Sie haben zwar den Nachteil, daß sie in die zu prüfende Oberfläche Spannungen und massive plastische Verformungen einbringen, die ein Abscheren oder Abplatzen der Schicht vom Substrat verursachen können, stellen aber ein für die Praxis durchaus brauchbares Verfahren dar, zumal sie einfach überschaubare, sichere Prüfergebnisse erreichen lassen.

So wird beim Rockwell-Eindrucktest die konventionelle Härteprüfung nach Rockwell-C (DIN 50103) vorgenommen, wodurch die Schicht in der unmittelbaren Umgebung des Härteeindruckes geschädigt wird.

Daran schließt sich eine lichtmikroskopische Auswertung des erzeugten Rißnetzwerkes bzw. der Schichtausbrüche im Randbereich des Eindruckes an.

An Hand von Vergleichsabbildungen kann sodann eine Zuordnung des Schadensbildes zu einer Haftfestigkeitsklasse vorgenommen werden.

Wegen seiner Einfachheit und seiner raschen Durchführbarkeit ist der Rockwelltest recht gut geeignet, um zu geringe Haftfestigkeiten, verursacht durch Beschichtungsfehler, schnell zu erkennen.

Der Ritztest als Prüfverfahren zur Beurteilung des Werkstoffverbundes Hartstoffschicht/Metallsubstrat, bei dem ein Diamant mit definierter Geometrie in die Oberfläche eingeritzt und die daraus resultierende Schädigung beurteilt wird, ist seit Jahren im industriellen Einsatz.

Dabei kann mit auf den Prüfkörper konstant aufgebrachter oder mit kontinuierlich wachsender Last gearbeitet werden, wobei die Ritzspuren jeweils den Lastgrößen zuzuordnen sind.

Natürlich müssen auch bei diesem Testvorgang an den gleichartig beschichteten Proben eine Reihe von Testparametern, wie Ritzgeschwindigkeit, Lastzunahmegeschwindigkeit, Spitzenradius des Prüfdiamanten usw. konstant gehalten werden um Fehler auszuschließen.

Obgleich diese beiden Methoden bzw. Prüfverfahren zur Prüfung der Haftfestigkeit von dünnen Hartstoffschichten nicht dazu geeignet sind, unter der Anwendung kritischer Prüflasten exakt quantifizierbare und reproduzierbare Meßwerte zur Haftfestigkeit zu erhalten sind sie dennoch brauchbar und im Hinblick auf die Prüfökonomie relativ gut geeignet aus ihren Meßwerten heraus auf die Funktionstüchtigkeit des Schichtverbundes schließen zu können.

Nachteilig ist für die industrielle Praxis jedoch der Umstand, daß für beide Verfahren, die vergleichsweise den gleichen Prüfkörper benutzen können, jeweils ein gesondertes Prüfgerät bereitgestellt und der Prüfling dabei umgespannt werden muß.

Ein anderer im Zusammenhang mit dem sog. Rockwelltest immer wieder auftretender und deshalb nachteilig empfundener Umstand besteht darin, daß der Rockwell-Prüfdiamant laufend auf seinen Verschleißfortschritt oder auch etwaigen Aufschweißungen kontrolliert werden muß und dabei jeweils aus- und eingespannt werden muß.

Diese nachteiligen Umstände und Erscheinungen sucht die vorliegende Erfindung zu vermeiden.

Sie geht von der Aufgabenstellung aus, das Prüfverfahren für die Haftfestigkeitsbestimmung von Hartstoffschichten zu vereinfachen und zu erleichtern.

Diese Aufgabe wird gemäß dem Erfindungsvorschlag mit den im ersten Patentanspruch charakterisierten Verfahrensmerkmalen gelöst.

Dazu findet ein Gerätesystem Anwendung, welches in der Art eines Tischgerätes gestaltet wurde und das bei einer Aufspannung des Prüflings die Kombination eines Ritztests mit einem Rockwell-C-Eindrucktest unter Verwendung des gleichen Prüfkörpers, nämlich eines Rockwell-C-Diamanten mit einem Spitzenradius von 0,2 mm, realisieren läßt. Ein Wechseln des Prüfkörpers ist dadurch nicht erforderlich.

Mit der erfindungsgemäßen Kombination der beiden Prüfverfahren ergibt sich insbesondere auch der Vorteil, den Verschleißfortschritt des für beide Verfahrensschritte benutzten Prüfkörpers einfach kontrollieren zu können, ohne ihn ausspannen zu müssen und stets den vergleichbar identischen Prüf- bzw. Eindruckkörper für beide Verfahren zur Verfügung zu haben.

Der ebenso erfindungsgemäß vorgesehene Eindrucktest des Prüfkörpers in ein Kupferblech und eine anschließende lichtmikroskopische Betrachtung geben jeweils sicheren Aufschluß darüber, ob am Prüfkörper Abnutzungsmerkmale oder beeinträchtigende Beschädigungen vorhanden sind, die die Verläßlichkeit des Prüfergebnisses in Frage stellen würden.

Claims (3)

1. Verfahren zum Prüfen der Haftfestigkeit von Hartstoffschichten oder Schichtverbunden, dadurch gekennzeichnet, daß in zwei jeweils zeitlich aufeinander folgenden Verfahren jedoch in einer nur einmal vollzogenen Aufspannung des Prüflings zunächst ein Ritztest und anschließend ein Eindrucktest nach der Art einer Rockwell-C-Prüfung durchgeführt werden, wobei zur stets exakten Schichtcharakterisierung der jeweils gleiche Eindring- bzw. Prüfkörper in Form des Rockwell-C-Diamanten Verwendung findet und der Verschleißfortschritt des Eindringkörpers einer stetigen Kontrolle unterzogen wird, indem derselbe nach jeder oder einer vorbestimmten Anzahl von Eindrücken einem Eindrücktest in Weichblech unterzogen und dieses Ergebnis einer lichtmikroskopischen Auswertung unterzogen wird.

2. Gerätesystem zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren in einem transportablen Tischgerät ausgeübt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung der Verfahrensschritte rechnergestützt vorgenommen wird, indem die lichtmikroskopische Aufnahme mit Hilfe einer CCD-Kamera erfolgt und die Prüfergebnisse durch eine Bildverarbeitung dargestellt werden.