Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005 - lamp.tugraz.at

Lösungen
L18: Haftfestigkeitsprüfung von dünnen Schichten
L18: Haftfestigkeitsprüfung
von dünnen Schichten mittels
Scratch-Test
Der Haftfestigkeit von Schichten am Grundwerkstoff
kommt in der industriellen Beschichtungstechnik
sehr große Bedeutung zu, da eine Ablösung
der Beschichtung zum vollständigen Verlust der
Oberflächenfunktionalität führt. Die Angabe der
Haftfestigkeit erfolgt i.A. bei dicken Beschichtungen
als Haft-Zugfestigkeit oder Haft-Scherfestigkeit
und somit als Belastungsgröße für die Zerstörung
des Verbundes Beschichtung-Grundwerkstoff z.B.
im Zugversuch. Diese Testmethode kann jedoch bei
Beschichtungen mit Dicken von weniger als 100 µm
nicht mehr angewendet werden. Daher wird im
Bereich der Dünnschichttechnik und Nanoanalytik
versucht, durch massive plastische Verformung der
beschichteten Oberfläche zur Darstellung der Haftfestigkeit
zu kommen. Im Ritztest („scratch test“)
wird dabei ein Diamantkegel nach Rockwell-C-Geometrie
in die beschichtete Oberfläche eingedrückt
und gleichzeitig translatorisch parallel zur Oberfläche
bewegt. Der entstehende Ritz („scratch“)
und die auftretenden Verformungsmerkmale des
Verbundes werden ausgewertet und dienen zur
Ermittlung einer kritischen Last, bei welcher es zur
Schädigung der Beschichtung kommt.
Abbildung 1:
Ergebnisse von Scratch-Tests auf PLD-
Multilagen-Beschichtungen aus Ti-TiN.
(a) Abhängigkeit der kritischen Last von
der Dicke der Ti- bzw. TiN-Einzelschichten
(Gesamtschichtdicke 1 µm). (b)
Versagenstypen bei der kritischen Last:
(1) „Buckling“ einer Beschichtung mit
32 nm Einzelschichtdicke. (2) Aufreißen
einer Schicht mit 250 nm Einzelschichtdicke.
In der Versuchsführung stehen gemäß EN 1071
verschiedene Belastungskonzepte zur Verfügung:
(1) linear zunehmende Belastung während der translatorischen
Bewegung, (2) konstante, schrittweise
zunehmende Belastung und (3) konstante Belastung
bei mehrmaligen Ritzen im gleichen Scratch.
Diese Belastungskonzepte erlauben Aussagen über
den größten Einfluss auf das Versagen der Beschichtung
(1), eine statische Versagensanalyse (2)
und die modellhafte Analyse von im Anwendungsfall
auftretenden Ermüdungsbeanspruchungen (3).
Die Versagenstypen im Scratch-Test werden entscheidend
von den (mechanischen) Eigenschaften
von Beschichtung und Grundwerkstoff bestimmt.
Ist die Beschichtung z.B. im Vergleich zum Grundwerkstoff
sehr weich, treten große plastische Verformungen
der Beschichtung auf, und die kritische
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Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005