Präzisionsverschleißmessung an dünnen Schichten als Mittel zur Qualitätssicherung und Schichtcharakterisierung

Dünne Schichten finden zunehmend Verbreitung in technisch anspruchsvollen Anwendungsgebieten. Die Qualitätssicherung von dünnen Schichten erfordert deshalb hochwertige Prüfverfahren. Das Verfahren sollte zu quantitativen Ergebnissen führen, damit eine objektive Bewertung möglich ist. Am Frauenhofer Institut für Schicht- und Oberflächentechnik wurde das Kalottenschliffverfahren (DIN 1071 Teil 2) zu einem Präzisionsverschleißtester für dünne Schichten weiterentwickelt. Diese Methode erlaubt es, aus Werkstoffoberflächen ein definiertes und reproduzierbares Materialvolumen auszureiben. Diese Materialkenngröße (Volumenverschleiß) charakterisiert physikalische und chemische Materialeigenschaften und kann damit zur Qualitätskontrolle und Werkstoffentwicklung herangezogen werden. Um eine Abhängigkeit des Verschleißes von der chemischen Zusammensetzung zu prüfen, wurden an speziell hergestellten Schichten mit unterschiedlichen Metallgehalten Verschleißuntersuchungen durchgeführt. Der Metallgehalt wurde an Wolfram und Titan basierten Kohlenstoffschichten variiert. Für beide Schichtsysteme zeigt sich im Prinzip ein ähnlicher Verlauf. Der Verschleiß zeigt im Bereich von ca. 15-20 Atom-% ein Minimum. Für niedrigere und höhere Metallgehalte wird eine Zunahme im Verschleiß gemessen. Ein Metallanteil von 15-20 Atom-% hat sich für tribologische Funktionsschichten in der Praxis bewährt. Überall dort, wo Schichten zur Reibungs- und Verschleißminderung auf Werkzeigen und Bauteilen eingesetzt werden, liefert die Messung des Schichtverschleißes ein quantitatives Qualitätskriterium. Darüber hinaus liefert sie Aussagen zum Schichtaufbau und eignet sich damit als universelle Qualitätsprüfmaßnahme. Soll eine Schicht, die sich in der Praxis bewährt hat, immer wieder reproduziert werden, ist der ermittelte Verschleißwert jeder Beschichtungscharge ein Indiz dafür, ob der Beschichtungsprozess ordnungsgemäß abgelaufen ist und die Schichtqualität dem Soll entspricht. Weiterhin kann das Verfahren für Forschungs- und Entwicklungsvorhaben herangezogen werden. Bei gezielter Veränderung der Herstellungsparameter für eine Beschichtung gibt der ermittelte Verschleißwert die Auswirkung der Modifizierung an.