Beschichtungen

Zur Analyse verschiedener Beschichtungen in der Lebensmittelindustrie, der Pharmaproduktion oder der Medizintechnik sind zuverlässige, für den Reinraum geeignete Instrumente gefragt. Fischer bietet individuell auf Ihre Bedürfnisse angepasste Messgeräte, die für eine lückenlose Dokumentation direkt die benötigten Prüfprotokolle bereitstellen.

Saubere Lösungen für verschiedenste Beschichtungen

Application Notes

Porenprüfung von Glas-Emailschichten in der chemischen und pharmazeutischen Industrie

Durch ihre sehr gute Beständigkeit gegenüber hohen Temperaturen und chemischen Substanzen eignen sich Emailschichten hervorragend als Korrosionsschutz für Kessel und Behälter in der chemischen und pharmazeutischen Industrie. Aber dieser Schutz ist nur gewährleistet, wenn die Beschichtung durchgängig ist und keinerlei Poren, Risse, Löcher oder sonstige Beschädigungen und Schwachstellen aufweist. Deshalb ist eine zuverlässige Prüfung notwendig.

Zur Herstellung chemischer und pharmazeutischer Produkte werden häufig Behälter, Leitungen und Rührwerke aus Stahl eingesetzt. Um diese Stahlteile vor Korrosion zu schützen, werden sie je nach Anforderung mit einer ca. 0,8-2,4 mm dicken Emailschicht überzogen. Damit ein 100%iger Schutz gewährleistet werden kann, müssen die Emailschichten auf Poren und Schwachstellen geprüft werden. Dies geschieht in der Regel nach der Norm ISO 2746. Dabei wird die Elektrode eines unter Hochspannung stehenden Prüfkopfes über die Oberfläche geführt. Sobald die isolierende Wirkung der Schicht gestört ist (Pore), ergibt sich ein starker Spannungsabfall.

Abb. 1: Porenprüfung eines Behälters in der chemischen Industrie mit dem POROSCOPE® HV20

Das  POROSCOPE® HV20 eignet sich hervorragend für die Porenprüfung der Emailschichten. Die robuste Bauweise des Messkopfes garantiert eine lange Lebensdauer und erfüllt sämtliche Sicherheitsbestimmungen beim Arbeiten mit Hochspannung. Je nach Art des zu prüfenden Objektes kommen verschiedene Elektroden wie Fächerbesen, Innenprüfbürsten oder Flachelektroden zum Einsatz.

Abb. 2: Verschiedene Elektroden zur Porenprüfung

Die Porenprüfung am gefertigten Objekt passiert gleich nach dem Emaillierprozess. Hier wird üblicherweise mit einer Hochspannung zwischen 12 und 20 kV geprüft. Die eingesetzte Hochspannung ist abhängig von der Dicke der Emailschicht. Gemäß der Tabellenwerte in der Norm ISO 2746 kann die richtige Hochspannung direkt am Prüfkopf eingestellt werden. Eine regelmäßige Porenprüfung während des Herstellungsprozesses der Leitungen, Behälter oder Rührwerke ist notwendig, um deren Korrosionsbeständigkeit zu gewährleisten und die Kontaminierung des wertvollen Inhalts zu verhindern.

Das POROSCOPE® HV20 eignet sich optimal für die Porenprüfung von Glas-Emailschichten, wie sie in der chemischen und pharmazeutischen Industrie eingesetzt werden. Mit dem flexibel einstellbaren Hochspannungsbereich von 4-20 kV können alle gängigen Schichtdicken zuverlässig auf Fehlstellen wie Risse, Poren und sonstige Schwächen überprüft werden. Für weitere Information oder eine Vorführung des POROSCOPE® steht Ihnen Ihr Ansprechpartner von Fischer gerne zur Verfügung.

Bestimmung der Mikrohärte zur Charakterisierung von medizinischen Implantaten des Stützapparates

Durch Verletzungen oder Verschleißerscheinungen können Knie- oder Hüftgelenke derart beschädigt werden, dass ein Ersatz durch künstliche Teile notwendig wird. Solche Operationen sind nicht nur äußerst schmerzhaft, sondern auch teuer und riskant, daher ist die Langlebigkeit der Implantate besonders wichtig. Diese wird durch den Einsatz von widerstandsfähigen Beschichtungen aus Hartchrom oder Keramik erreicht, die sich durch eine besondere Verschleißfestigkeit auszeichnen.

Der Austausch eines Knie- oder Hüftgelenks ist ein großer chirurgischer Eingriff, um die beschädigten Teile zu erneuern, Schmerzen zu lindern und die Funktionalität des Gelenks wiederherzustellen. Um den Erfolg dauerhaft sicherzustellen, müssen die Implantate sehr hohe Anforderungen an die Verschleißfestigkeit erfüllen. Die Härte eines Materials und seine Verschleißfestigkeit korrelieren, weshalb die Messung der Vickers-Härte (HV) ein geeigneter Parameter zur Charakterisierung ist. Aber traditionelle Vickers-Messgeräte ermitteln (nur) eine kombinierte Härte aus Beschichtung und Substrat, da die von diesen Geräten verwendeten Prüfkräfte zu hoch sind. Zudem ist der Bedienereinfluss kritisch, die Diagonalen des Eindrucks werden optisch unter dem Mikroskop gemessen.

Die sogennante Nanoindentation, auch Mikrohärte genannt, verwendet sehr niedrige Kräfte und ist damit zur Bestimmung der Härte von dünnen Beschichtungen ohne Substrateinfluss viel besser geeignet.

Das FISCHERSCOPE® HM2000 ist das ideale Instrument für diese Aufgabe, da es HV automatisch aus der kontinuierlich erfassten Eindringtiefe berechnet und damit jeden Anwendereinfluss ausschließt. Aus der Steigung der Entlastungskurve kann zudem das Elastizitätsmodul berechnet werden.

Im folgenden Beispiel wird die Härte einer 7 µm dicken Hartchrombeschichtung eines Knie-Implantats mit dem FISCHERSCOPE® HM2000 gemessen. Dabei wird eine maximale Belastung von 50 mN aufgebracht. Die Eindringtiefe verbleibt noch innerhalb der empfohlenen 10 % der Schichtdicke (Bückle-Regel), wie in Abbildung 1 gezeigt.

Abb. 1: Kraft-Eindringtiefen-Diagramm für sechs Messungen an der Beschichtung eines Knie-Implantats

Das HM2000 mit integriertem Mikroskop und motorisiertem XYZ-Tisch ermöglicht Messungen direkt auf komplexen Geometrien wie künstlichen Knie-Implantaten – bei minimaler Probenvorbereitung. Die durchschnittliche Härte der in diesem Beispiel gemessen Chrombeschichtung beträgt 1084,8 HV mit durchschnittlichem Elastizitätsmodul von 279,7 GPa.

Kein Patient möchte einen Gelenkersatz, der sich vorzeitig abnutzt und ausgetauscht werden muss. Damit chirurgische Implantate lange halten, müssen sie richtig beschichtet werden. Zur Überprüfung der Qualität dieser Beschichtungen wird die Nanoindentation eingesetzt. Das FISCHERSCOPE® HM2000 ermöglicht genaue Messungen direkt auf zur orthopädischen Rekonstruktion verwendeten Implantaten. Für weitere Informationen kontaktieren Sie bitte Ihren lokalen Vertreter von Fischer.

Hardness measurement of nano coatings on spectacle lenses

Whether used for eye protection or vision correction, spectacles with lenses made of plastic are preferred over glass for their considerably lower weight and better fracture strength. In order to provide the required life-long quality of such lenses a specific scratch-resistance is necessary.

Nowadays, spectacle lenses made of plastic are commonly provided with an anti-scratch, dirt-repellent and anti-reflective surface. They are vacuum coated using a physical vapour deposition (PVD) method with up to 10 protective layers, each only a few nanometres thick, which together ensure very high scratch-resistance. Hardness and scratch-resistance of these coatings are directly related: therefore, determining the hardness is a suitable method for quantifying the quality of these protective coatings.

To avoid commingling the hardness results of the coatings with those of the base materials while measur­ing, the test load must be absolutely minimal, as low as a few micronewtons: The indenter may only penetrate up to one tenth of the overall coating depth in order to correctly determine its hardness without being influenced by the properties of the substrate (Bückle’s-Rule).

Fig. 1: Hardness measurement of protective coatings of lenses (Martens hardness). Sample P4 has a significantly lower hardness and was identified as far less scratch-resistant (samples courtesy of Rodenstock)

Another important measuring parameter is the elastic/plastic deformation ratio of the coating material. The coatings must have a very high elastic component to prevent separation from the base material upon deformation. Therefore, multilayer coating systems are used that gradually adjust the modulus of elasticity from the base material to the top coating. These systems also have much higher adhesive bond strengths compared to single-layer coatings.

To secure the functionality of these protective coatings it is important to find the right balance between hardness and elastic behaviour.

The PICODENTOR® HM500 is ideal for measuring the hardness and elastic properties of these complex, nano-thin multi-coatings, which requires a measuring system capable of load generation as low as a few micronewtons and highly accurate depth measurement in the picometre range – exactly the designed operating range of the PICODENTOR®. The hardness can then be calculated from the measured load/depth curves. For further info contact your local FISCHER partner.