PVD/CVD

Sie schützen kleinste Bauteile in Uhrwerken, verleihen Brillengläsern Kratzfestigkeit und verhindern Abrieb an Werkzeugen – aufgedampfte Beschichtungen wie PVD oder CVD sind echte Allrounder. Mit Messgeräten von Fischer prüfen Sie die Eigenschaften leistungsfähiger Oberflächen ohne Einfluss des Grundmaterials. Egal, ob Sie aus TiN, TiCN oder oxidischen Materialien wie SiO2 bestehen.

PVD und CVD Beschichtungen prüfen

Application Notes

Schichtdickenbestimmung von PVD beschichteten Werkzeugen

Schneide- und Stanzwerkzeuge, welche für die Zerspanung und zum Stanzen und Umformen von Stahl, Hartmetall oder Aluminium eingesetzt werden, unterliegen hohem Verschleiß. Um die Lebensdauer solcher oftmals sehr kostspieligen Werkzeuge zu erhöhen, werden sie mit einer Hartstoffschicht im PVD-Verfahren beschichtet. Die Dicke der PVD-Schicht bestimmt dabei die Standzeit, sprich die Lebensdauer des Werkzeuges. Eine Mindestschichtdicke ist bei der Werkzeugherstellung zu garantieren und auch messtechnisch zu überwachen.

PVD-Schichten werden im Sputtering-Prozess in einem Vakuum-Ofen auf die zu beschichtenden Werkzeuge aufgebracht. Dazu werden die Werkzeuge in einem Vakuum-Ofen gestapelt. Mittels Ionenbeschuss der Targets (wie Titan oder Chrom) und unter Zugabe von Gasen wie Stickstoff werden die Schichten wie TiN, CrN, TiCN usw. auf die Werkzeuge abgeschieden. Ausgeklügelte Haltevorrichtungen garantieren, dass die Schichten gleichmäßig über die gesamte Oberfläche der Werkzeuge aufgebracht werden.

PVD-beschichtetes Werkzeug

Abb. 1: PVD-beschichtetes Werkzeug

Spezifische Prozessparameter wie Vakuum, Temperatur, Ionenstrahlstärke und Prozessdauer bestimmen die Schichtabscheidung und führen zur geforderten Schichtstärke.Wie bei allen Beschichtungsarten muss auch bei der PVD-Beschichtung der Prozess überwacht werden. Dazu wird die Stärke der abgeschieden PVD-Schicht auf den Werkzeugen gemessen.

Neben zerstörenden Prüfmethoden hat die zerstörungsfreie Röntgenfluoreszenz-Methode für die Schichtdickenmessung breite Akzeptanz gefunden. Das FISCHERSCOPE® X-RAY XDLM ist mit seinem robusten Gerätekonzept für die gestellten Anforderungen optimiert, indem die hohe Strahlintensität der Mikrofokusröhre mit kleinen Blenden und großem Detektorfenster kombiniert wird. Die herausragenden Vorteile dieses Gerätes sind:

  • Zerstörungsfreie Messung
  • Kurze Messzeit
  • Kleinste Messfleckgröße von 100 µm

Damit können die Schichtdicken auf kleinsten Schneidezähnen von kostspieligen Werkzeugen genau gemessen werden. Zudem kann mit demselben Messgerät die metallische Zusammensetzung der Werkzeuge bestimmt werden, um z. B. das Herauslösen von Kobalt beim chemischen Entfernen alter Beschichtungen vor einem Nachbeschichten zu bestimmen.

TiN-Schicht auf HSS-Werkzeug

Schichtdicke


Einzelmesswerte




3,53

3,62

3,53

3,48

3,62

3,54

3,60

3,49

3,56

3,61

Mittelwert (10 Messungen)

3,56 µm

Standardabweichung

0,05 µm

Variationskoeffizient

1,47 %

Tab. 1: Messbeispiel einer TiN-Schicht auf HSS-Werkzeugstahl, gemessen mit FISCHERSCOPE X-RAY XDLM, Kollimator 0,1 mm und 10 s Messzeit

Zur Bestimmung der Dicke von Hartstoffschichten auf Werkzeugen und zur Überwachung des PVD-Beschichtungsprozesses ist das FISCHERSCOPE® X-RAY XDLM optimal geeignet. Für weitere Informationen steht Ihnen Ihr Fischer-Ansprechpartner gerne zur Verfügung.

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).

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)

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.

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