DE2364724C3 - Meßverfahren und Meßvorrichtung für die Oberflächenrauheit elektrisch schwach leitender Materialien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Oberflächenrauheit eines Prüflings aus elektrisch schwach leitendem Material und eine Meßvorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 7. Auf mechanischer Basis arbeitende Meßverfahren (vgl. zum Beispiel Brockhaus ABC, Naturwissenschaften und Technik, 1968, Stichwort »Oberfläche«) beruhen auf Abtastvorgängen, wobei Stahl- oder Diamantnadeln oder auch federartige Gebilde die zu untersuchende Oberfläche entlanggeführt werden bei gleichzeitiger Aufzeichnung der Vertikalbewegungen oder -schwingungen dieser Abtastsysteme mit daraus abgeleiteten Rauheitswerten. Nachteilig bei diesen Meßverfahren ist die relativ große Streuung der Meßergebnisse bei Wiederholungsmessungen. Bei mehrmaligen Meßvorgängen muß durch Abschleifen und Rillenbildung mit Veränderungen der Prüflingsoberfläche und damit verbundenen Verfälschungen der Meßergebnisse gerechnet werden. Schwierigkeiten ergeben sich auch bei der Festlegung der Rauheit flächenartiger Meßobjekte, da mit den Abtastverfahren nur ein punkt- bzw linienartiges Ausmessen möglich ist.

Bekanntgewordene optische Meßverfahren (vgl. zum Beispiel Brockhaus ABC, a.a.O.) beruhen darauf, daß auf die Oberfläche des Prüflings ein Lichtstrahl unter einem bestimmten Winkel auftrifft und der reflektierte Anteil, z. B. über ein Fotoelement in einer elektrischen Meßapparatur, zahlenmäßig erfaßt und im Vergleich mit einem Meßnormal bewertet wird. Bei einem ähnlichen Verfahren wird das reflektierte Licht zur Erzeugung von Schattenbildern verwendet. Die Genauigkeit bzw. Reproduzierbarkeit der Meßergebnisse

so läßt auch bei diesen Verfahren zu wünschen übrig und hängt vor allem vom Aufwand der Meßapparatur ab, die in den meisten Fällen außerordentlich kostspielig ist.

Es sind schließlich ein Verfahren und eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch

J. Per the n bekanntgeworden (DE-PS 7 38 124; DE-PS 8 37 468; »Maschinenbau - der Betrieb«, Dezember 1936, S. 669—672; J. P e r t h e η, »Prüfen und Messen der Oberflächengestalt«, 1949, S. 145-157; »Schleif- und Poliertechnik«, 15 [1938], S. 42 ff.), nämlich

no eine Oberflächenrauheitsmeßmethode nach dem sog. Kondensatormeßverfahren, mit dem die Kapazität des von der Meßeinrichtung gebildeten Kondensators gemessen wird, und zwar in folgender Weise (vgl. insbesondere J. Per then, »Prüfen und Messen der

f,₅ Oberflächengestalt«, 1949, S. 145-157):

Es wird die Aufladungsfähigkeit des von den Meßelektroden der Meßeinrichtung gebildeten Kondensators ausgenutzt, wobei die Bestimmung der

Kapazität C nach der allgemein bekannten Formel erfolgt:

ε = Dielektrizitätskonstante des zwischen den Elektroden befindlichen Mediums,
F = Fläche des Kondensatorbelags,
d = Abstand der beiden Kondensatorbeläge.

Die rauhe Oberfläche bildet den einen Belag des Kondensators, dem ein glatter Belag der Meßelektrode gegenübersteht, die jedoch nicht unmittelbar auf der rauhen Oberfläche aufliegt, sondern entweder durch Luft (vgl. in J. Pert hen, »Prüfen und Messen der Oberflächengestalt«, 1949, S. 147, Bild 87a) oder — wie an sich von Pert hen angestrebt — durch ein Dielektrikum (vgl. dort Bild 87b) getrennt ist

Für eine derartige Messung müssen aber ganz bestimmte Voraussetzungen hinsichtlich des Verhältnisses der Dielektrizitätskonstanten zur Dicke der Dielektrika erfüllt sein. Der Unterschied der gemessenen Kapazität des Oberflächenkondensators, der eine rauhe Seite (= Elektrode) besitzt, gegenüber der Kapazität eines Kondensators mit zwei glatten Elektroden dient als Maß für die Oberflächenrauneit.

Das bekannte Kondensatormeßverfahren dient an sich nur zur Messung elektrisch leitender Oberflächen, weshalb nichtleitende Oberflächen mit Hilfe von Zusatzmaßnahmen leitend gemacht werden müssen, vorzugsweise durch Aufdampfen eines äußerst dünnen metallischen Überzugs, aber auch durch Aufspritzen eines feinen, elektrisch leitenden Lacks. Außerdem können auf rauhe Oberflächen, insbesondere Holz usw., dünne Metallfolien aufgeklebt oder aufgewalzt werden.

Durch eine derartige Oberflächenbehandlung wird aber offensichtlich das Oberflächenprofil erheblich verfälscht, wobei die dadurch bedingte Meßwertverfälschung quantitativ gar nicht erfaßt und damit auch nicht korrigiert werden kann, da eben ohne Metallisierung der Prüflingsoberfläche die Oberflächenrauheit gar nicht meßbar ist.

Ferner läßt sich das Kondensatormeßverfahren auf elektrisch schwach leitende Materialien (hierunter werden normalerweise als elektrische Isolierstoffe bezeichnete Materialien wie Glas, Porzellan und Kunststoffe verstanden, die zwar theoretisch eine elektrische Leitfähigkeit von Null, jedoch tatsächlich eine endliche, wenn auch sehr kleine spezifische Leitfähigkeit in der Größenordnung von ca, ΙΟ"¹² bis 10-'⁶S/cm aufweisen) nur anwenden, wenn die Prüflinge eine sehr große bzw. rauhe Oberfläche haben, bei der eine sehr große Differenz zwischen Rauhtiefe, insbesondere auch Porendurchmesser, und Schichtdicke der Metallisierung besteht. Da aber dieser Anwendungsfall nur selten vorkommt, vielmehr gerade sehr geringe Rauhtiefen (z. B. bei Keramik, Substraten, Kunststoffen) zahlenmäßig erfaßt werden sollen, hat das Kondensatormeßverfahren keinen Eingang in die Praxis gefunden, d. h., man verwendet auch heute noch die an sich nicht sehr geeigneten mechanischen Abtastverfahren, obwohl das Kondensatormeßverfahren bereits vor vierzig Jahren entwickelt worden ist.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Oberflächenrauheit eines Prüflings aus elektrisch schwach leitendem Material anzugeben, das jede Oberflächenvorbehandlung vermeidet, so daß nicht nur der Meßaufwand verhältnismäßig klein gehalten werden kann, sondern auch sehr genaue und damit sehr gut reproduzierbare Meßergebnisse insbesondere bei sehr geringer Rauhtiefe erzielt werden.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren mit dem kennzeichnenden Teil des Anrpruchs 1 b;Ew. durch eine Vorrichtung mit dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 7.

Im Gegensatz zum bekannten Kondensatormeßverfahren nach P e r t h e η wird also erfindungsgemäß die elektrische Leitfähigkeit des Prüflings gemessen, innerhalb dessen eine Feldstärke von größenordnungsmäßig einigen kV/cm erzeugt wird, wobei die Meßelektroden unmittelbar arn Prüfling anliegen.

Die Erfindung setzt gewissermaßen dort ein, wo das bekannte Kondensatormeßverfahren nach J. Perthen hinsichtlich Genauigkeit und Meßaufwand wegen der Verfälschung des Oberflächenprofils, insbesondere bei geringer Rauhtiefe, sich nicht mehr sinnvoll anwenden läßt.

Die physikalische Grundlage des erfindungsgemäßen Meßverfahrens kann wie folgt gedeutet werden:

Bei der praktischen Erprobung des Meßverfahrens hat sich herausgestellt, daß die »reduzierte« elektrische Leitfähigkeit bzw. der bei deren Ermittlung fließende elektrische Strom weitgehend von der im Prüfling

,0 erzeugten elektrischen Feldstärke abhängig sind, wie weiter unten noch genauer anhand eines Diagramms erläutert werden wird. Diese Feldstärkeabhängigkeit läßt sich darauf zurückführen, daß in bezug auf die schlechter kontaktierende Elektrode, die also nur mit den Spitzen der Unebenheiten der Außenfläche, deren Oberflächenniuheit gemessen werden soll, direkten Kontakt hat, die wirksame Kontaktfläche mit der Feldstärke zunimmt, da die kleinen Vertiefungen der betreffenden Prüflingsaußenfläche durch Glimmeinsatz aufgrund der an diesen Stellen sehr hohen Feldstärke (>20kV/cm, Luftdurchschlag!) überbrückt werden. Je höhere Potentiale an die Elektroden angelegt werden und damit je höhere Feldstärken im Prüfling entstehen, desto tiefere Oberflächenvertiefungen können durch Glimmeinsatz überbrückt werden und desto größere elektrische Ströme fließen im Meßkreis.

Das erfindungsgemäße Meßverfahren für die Oberflächenrauheit an im vorstehenden Sinn definierten elektrisch schwach leitenden Materialien beruht also

so darauf, daß das Auftreten von Luftdurchschlägen in den kleinen Vertiefungen der aufgerauhten Materialoberfläche zwischen der schlechter kontaktierenden Elektrode und dem Prüfling je nach Rauheitsgrad eine unterschiedliche wirksame Kontaktfläche ergibt, wodurch sich durch eine einfache Strom-Spannungs-Messung die sog. reduzierte Leitfähigkeit messen und durch Bezugnahme auf die normale Leitfähigkeit (wenn die Meßelektroden an einer Probe des Prüflingsmaterials im wesentlich jn genau den Außenflächenunebenheiten folgen, so daß keine Zwischenräume zwischen Elektrode und Material auftreten) eine materialunabhängige, nur dem Einfluß der Oberflächenrauheit unterworfene Meßgröße gewinnen läßt.

Durch die Elezugnahme der reduzierten spezifischen

(.5 Leittähigkeit auf die normale spezifische Leitfähigkeit kann der Einfluß unterschiedlicher normaler Leitfähigkeit bei unterschiedlichen Materialien auf das Meßergebnis der Oberflächenrauheit ausgeschaltet werden.

Hat man ζ. B. zwei Materialien A und B gleicher Oberflächenrauheit, jedoch unterschiedlicher normaler spezifischer Leitfähigkeit, so ergibt sich dank der Bildung des Verhältnisses von reduzierter zu normaler Leitfähigkeit trotzdem der gleiche Wert der Oberflächenrauheit für die Materialien A und B.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der außerordentlich hohen Reproduzierbarkeit der Meßergebnisse.

Um die Reproduzierbarkeit der Meßergebnisse weiter zu verbessern, sind folgende Maßnahmen zweckmäßig:

1. Die Messung der normalen Leitfähigkeit sowie der reduzierten Leitfähigkeit erfolgt bei der gleichen Temperatur. Je größer die Temperaturabweichungen, desto größer werden die Meßwertstreuungen.

2. Es sollten nicht zu niedrige Feldstärken verwendet werden. Je größer die Feldstärke gewählt wird, desto besser wird die Reproduzierbarkeit der Meßergebnisse. Zweckmäßig ist die Wahl von 3kV/cm bis lOkV/cm. Noch höhere Feldstärken bedingen einen relativ großen und teuren Meßaufwand.

3. Je geringer die Oberflächenrauheit der Prüflinge ist, desto günstiger wird die Reproduzierbarkeit der Messungen und mit desto niedrigeren Feldstärken kann gearbeitet werden.

4. Die Temperatur der Prüflinge sollte über der Raumtemperatur liegen (z. B. 50°C), denn je höher die Temperatur, desto größere Ströme treten auf und desto billigere Strommeßgeräte können verwendet werden.

5. Bei der Verwendung von Gleichstrom sollten auftretende Polarisationserscheinungen, die in einem zeitlichen Abfall des Gleichstroms sichtbar werden, beachtet werden. Es sollten nur Meßergebnisse verglichen werden, die zum gleichen Zeitpunkt (zweckmäßig 20 s bis 1 min) nach dem Zuschalten der Gleichspannungsquelle aufgenommen wurden.

Bei Anwendung dieser Maßnahmen können die Meßwertstreuungen bei wiederholten Messungen unter 10%, meist sogar bei 1 % gehalten werden.

Der Vollständigkeit halber sei noch festgehalten, daß durch J. P e r t h e η (vgl. DE-PS 8 37 468, S. 2, Z. 105) zwar für sich ein Schutzring bekanntgeworden ist, jedoch lediglich im Zusammenhang mit einer Tastspitze, also nicht mit einer glatt polierten Metallelektrode, wobei eine derartige Tastspitze zur Messung der Feldstärke des Spannungsfelds zwischen sich und der Oberfläche verwendet werden kann (vgl. DE-PS 8 37 468).

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Meßverfahrens und

Fig.2 mit dem erfindungsgemäßen Meßverfahren erhaltene Diagramme, die die Oberflächenrauheit für verschiedene Prüflinge mit der elektrischen Feldstärke als Parameter angeben.

Soll z. B. die Oberflächenrauheit eines Prüflings in Form einer keramischen Platte 1 gemessen werden, so wird zunächst die normale spezifische Leitfähigkeit dieses Materials bestimmt.

Zweckmäßigerweise verwendet man ebenfalls eine plattenartige Probe mit auf beiden Deckseiten im

Vakuum aufgedampften Metallelektroden in einer üblichen Meßapparatur mit Schutzringanordnung zur Ableitung störender Oberflächenströme. Für konstante Temperatur ergibt sich dann eine feldstärkeunabhängige spezifische Leitfähigkeit.

ίο Nun wird die »reduzierte« elektrische Leitfähigkeit der an der Oberseite 2 aufgerauhten keramischen Platte 1 ermittelt. Zu diesem Zweck wird die Unterseite der keramischen Platte 1 mit einer gut haftenden Kontaktierung 3, z. B. Graphitanstrich, Leitsilber, aufgedampftes

ι? Gold, Silber, Platin od.dgl., versehen und auf eine Metallunterlage 4 gelegt, während auf die aufgerauhte Oberseite 2 eine Metallelektrode 5 mit einer ebenen polierten Auflagefläche gesetzt wird. Ein Schutzring 6 sorgt wiederum für die Ableitung von sonst das Meßergebnis verfälschenden Oberflächenströmen.

Die Metallelektrode 5 mit der ebenen polierten Kontaktfläche zur Oberseite 2 des Prüflings 1 sollte ein definiertes Flächengewicht aufweisen. Als zweckmäßig hat sich ein Flächengewicht von 20 p/cm² erwiesen.

Führt man mit dieser Anordnung Strom-Spannungs-Messungen einschließlich der Bestimmung der reduzierten Leitfähigkeit unter den gleichen Bedingungen wie bei der Bestimmung der normalen spezifischen Leitfähigkeit aus, so beobachtet man ab einer elektrischen

to Feldstärke von ca. 1 kV/cm einen raschen Anstieg der reduzierten Leitfähigkeit mit zunehmender elektrischer Feldstärke. Im Gegensatz zur normalen spezifischen Leitfähigkeit ist die mit der beschriebenen Meßanordnung entwickelte reduzierte spezifische Leitfähigkeit feldstärke abhängig.

F i g. 2 zeigt einige Meßergebnisse. Auf der Abszisse ist die elektrische Feldstärke E[kV/cm], auf der Ordinate das Verhältnis der reduzierten Leitfähigkeit κ zur normalen spezifischen Leitfähigkeit xo aufgetragen.

Eine horizontale Gerade I durch den Wert 1 des Verhältnisses χ/κ₀ stellt die von der elektrischen Feldstärke unabhängige Leitfähigkeit der beidseitig mit fest anhaftenden Meßelektroden versehenen Isolierplatten dar. Das Verhältnis x/xo wird hier Eins.

Kurven Fl-IV zeigen den Verlauf von κκ₀ als Funktion der Feldstärke E bei einseitig mit fest anhaftender Elektrode (auf der Gegenseite mit lose aufgelegter Metallplatte) versehenen verschiedenen Isolierplatten bei unterschiedlicher Oberflächenrauheit, wobei Nr. II die geringste, Nr. IV die größte Rauheit anzeigt.

Es ergeben sich js nach Oberflächenrauheitsgrad deutlich zu unterscheidende Kurvenverläufe. Wählt man eine konstante elektrische Feldstärke von z. B. 3 kV/cm. so kann man als Maß für die Oberflächenrauheit den prozentualen Anteil der auf diese Weise bestimmter reduzierten spezifischen Leitfähigkeit von der normaler spzifischen Leitfähigkeit angeben. In F i g. 2 würde dies bedeuten, daß die Oberflächenrauheit des Prüflings entsprechend der Kurve II die Bewertung 0,5 erhält; des Prüflings entsprechend der Kurve III 0,4 und des Prüflings entsprechend der Kurve IV 0,3. Je größer das Verhältnis x/xo wird, um so geringer ist die Oberflächenrauheit, dh, der Kehrwert von x/xo ist direki proportional der Oberflächenrauheit.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Messung der Oberflächenrauheit eines Prüflings aus elektrisch schwach leitendem Material, wobei benachbart zu derjenigen Außenfläche des Prüflings, deren Oberflächenrauheit zu messen ist, eine erste Elektrode angeordnet und ferner am Prüfling eine gut kontaktierende zweite Elektrode angebracht wird, wobei beide Elektroden mit einem elektrischen Potential beaufschlagt werden, um den Meßwert einer elektrischen Größe zu erfassen, der dann mit dem Meßwert bei einer hochwertigen Normaloberfläche des Prüflings als Maß für die Oberflächenrauheit verglichen wird, dadurch gekennzeichnet,

daß die erste Elektrode (5) an der entsprechenden AuOenfläche des Prüflings (1) angelegt wird, daß die zweite Elektrode (3) an der zur ersten Außenfläche gegenüberliegenden Außenfläche angelegt wird,

daß dann die elektrische Leitfähigkeit des Prüflings gemessen wird unter Beaufschlagung der beiden Elektroden mit einem solchen elektrischen Potential, daß innerhalb des Prüflings (1) eine Feldstärke von größenordnungsmäßig einigen kV/cm entsteht und
daß der Kehrwert des Verhältnisses der so gemessenen reduzierten elektrischen Leitfähigkeit zur normalen elektrischen Leitfähigkeit als direkt proportionales Maß der Oberflächenrauheit genommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Feldstärke gleich ca. 3 kV/cm gewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Prüflings bei den Messungen der normalen bzw. der reduzierten elektrischen Leitfähigkeit möglichst groß gewählt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Prüflings bei der Messung der normalen bzw. der reduzierten elektrischen Leitfähigkeit im wesentlichen konstant gehalten wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Gleichstrompotential nur solche Meßwerte der normalen und der reduzierten elektrischen Leitfähigkeit (κο bzw. «) verglichen werden, die jeweils am Ende desselben Zeitintervalls nach Anlegen des Gleichstrompotentials erfaßt wurden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitintervall 20 s bis 1 min beträgt.

7. Meßvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer oberhalb der Oberseite des Prüflings aus elektrisch schwach leitendem Material anbringbaren glatten Metallelektrode, gekennzeichnet durch eine Metallunterlage (4), auf die der Prüfling (1) mit gut haftendem Kontaktmaterial (3) an seiner Unterseite legbar ist, wobei die glatt poliert mit definiertem Flächengewicht ausgebildete Metallelektrode (5) auf die Oberseite (2) des Prüflings (1) legbar ist.

8. Meßvorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen die glatt polierte Metallelektrode (5) umgebenden Schutzring (6), der ebenfalls auf die Gberseite (2) des Prüflings (1) legbar ist

9. Meßvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das gut haftende Kontaktmaterial (3) Graphit, Einbrennsilber, aufgedampftes Gold, Silber, Platin od. dgL ist

10. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 7—9, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächengewicht 20 p/cm² beträgt