Schichtdicke Materialanalyse Mikrohärte Werkstoffprüfung

COULOSCOPE® CMS2 und COULOSCOPE® CMS2 STEPMessung von Schichtdicken und elektrochemischen Potenzialen nach dem coulometrischen Verfahren

2 COULOSCOPE CMS2 / COULOSCOPE CMS2 STEP

COULOSCOPE®-Geräte

Die Coulometrie ist eine einfach und schnell anzuwen­dende elektrochemische Analysemethode, mit der die Schichtdicken von Metallen bestimmt werden können. Dieses Verfahren wird vor allem in der Qualitätskon­trolle von galvanisch aufgebrachten Beschichtungen aber auch zur Überwachung der Restzinn­Schichtdicke auf Leiterplatten eingesetzt.

Merkmale COULOSCOPE® CMS2 Großes, hochauflösendes Farbdisplay Einfache Gerätebedienung und grafisch unter-stützte Benutzerführung

Teilautomatisierte Messung mit Stativ V18 Einfache Auswahl der Ablösegeschwindigkeit (0,1 – 50 µm/min) und der Ablösefläche (0,6 – 3,2 mm Ø)

Grafische Darstellung des Spannungsverlaufs an der Messzelle

Grafische und statistische Auswertemöglichkeiten Verschiedene Sprachen und Einheiten wählbar

Spezielle Merkmale COULOSCOPE® CMS2 STEP Gleichzeitige Messung der Schichtdicken und Potenzialdifferenzen

Einfache Konditionierung der Silberbezugs-elektrode

Ablösestrom einstellbar

Messung der Restzinn-Schichtdicke auf einer Leiterplatte mit dem COULOSCOPE CMS2 und Stativ V18

COULOSCOPE® CMS2Das CMS2 misst die Dicke nahezu aller metallischen Schichten – auch Mehrfachschichten – auf beliebigen Grundwerkstoffen. Dazu wird das coulometrische Ver-fahren durch Schichtablösung gemäß DIN EN ISO 2177 eingesetzt.. Durch die einfache Handhabung und menügestützte Bedienerführung ist das CMS2 bestens für den Einsatz zur Produktionsüberwachung in Gal-vaniken oder zur Eingangskontrolle an fertigen Teilen geeignet. Fast 100 vordefinierte Messaufgaben zu unterschiedlichen Schichtsystemen (z.B. Zink auf Eisen oder Nickel auf Messing) sowie verschiedene Ablöse-geschwindigkeiten (z.B. 1,2,5,10 µm/min) stehen stan-dardmäßig zur Verfügung. Diese können auch zur Mes-sung von Mehrfachschichtsystemen kombiniert werden.

COULOSCOPE® CMS2 STEPDas CMS2 STEP ist mit der Zusatzfunktion STEP-Test (Simultaneous Thickness and Electrochemical Potential determination) ausgerüstet und wird zur normgerechten STEP-Test-Messung von Einzelschichtdicken und Potenzi-aldifferenzen gemäß ASTM B764-94 und DIN 50022 in der Qualitätskontrolle von Mehrfach- Nickelschichten eingesetzt. Die Schichtdickenmessung erfolgt nach dem coulometrischen Verfahren, der Potenzialverlauf wird gegen eine AgCl-beschichteten Silberbezugselektrode erfasst.

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Optionales Zubehör und Kalibrierung

Schraubstock zur Befestigung von Messobjekten; auch zur Montage auf den Aufspannplatten der Messstative V18 und V24 geeignet

COULOSCOPE CMS2 STEP Arbeitsplatz: Messstativ V18 mit Kugelgelenk-Messauflage und frei schwenk barer Aufspannplatte. Die Messzellenablage zur Aufbewahrung der Messzellen kann bis zu drei 100-ml-Laborflaschen aufnehmen

SystemübersichtEin funktionsfähiger Messplatz besteht aus einem COU LOSCOPE® CMS2 bzw. CMS2 STEP und einem Stativ mit Messzelle (bzw. STEP-Messzelle). Für die unterschiedlichen Anwendungen stehen verschiedene Messstativausführungen inklusive Mess zellen zur Ver-fügung.

Optionales ZubehörUmfangreiches Zubehör ermöglicht ein praxisgerechtes Arbeiten, eine sichere Aufbewahrung und Hilfen für die Befestigung von Messobjekten.

Prüfnormale zur Kalibrierung des Messsystems mit 5 x 5 indivi-duell vermessenen Prüfbereichen auf dem Normal

KalibrierungMit der Kalibrierung wird ein Korrekturfaktor ermittelt. Berücksichtigt werden dabei Abweichungen der Kunst-stoffdichtungen vom Solldurchmesser, Abweichungen von Legierungsanteilen und Dichteschwankungen des Schichtwerkstoffs.

Standard-Stativ V18 für vielfältige Anwendungen und Stativ V27 speziell für die Schichtdickenmessung an Drähten

4 COULOSCOPE CMS2 / COULOSCOPE CMS2 STEP

Anwendungen für COULOSCOPE® CMS2

Das coulometrische Verfahren ist eine der einfachsten Methoden der Schichtdickenmessung und kann für ein breites Spektrum an Schicht­Träger­Kombinationen ein­gesetzt werden. Gerade bei Mehrfachschichten bietet es eine kostengünstige Alternative zum Röntgenfluo­reszenz­Verfahren, wenn eine zerstörende Messung eingesetzt werden kann.

AnwendungDas robuste und anwenderfreundliche COULOSCOPE CMS2 eignet sich sowohl für die Produktionsüberwa-chung in der Galvanik als auch für die Wareneingangs-kontrolle an fertigen Teilen.

Anwendungsbeispiele für das COULOSCOPE CMS2: ver-zinkte Befestigungselemente, Prüfung des Restzinngehalts auf Leiterplatten, verchromte Badarmaturen

Viele in der Praxis vorkommende Ein- und Zweifach-schichten wie z.B. Zn auf Eisen oder Sn/Ni auf Kup-fer können mit dem CMS2 schnell und unkompliziert gemessen werden. Das Verfahren bietet exakte Messun-gen von praktisch jeder Metallschicht. Je nach Werkstoff in den Bereichen 0,05 µm bis 50 μm, dabei sind keine Voreinstellungen nötig. Auch Geometrie und Grund-werkstoffzusammensetzung sind für den Messvorgang nicht relevant.

Eine der häufigsten Anwendungen ist die Messung des Restreinzinns auf Leiterplatten, um die Lötfähigkeit sicherzustellen. Auch Mehrfachschichten wie z.B. Cr/Ni/Cu auf Eisen oder Kunststoffsubstraten (ABS) zum Beispiel bei hochwertigen Badarmaturen sind messbar.

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Coulometrische Schichtdickenmessung nach DIN EN ISO 2177

MessverfahrenDie COULOSCOPE-Geräteserie misst nach dem cou-lometrischen Verfahren ge mäß DIN EN ISO 2177. Hierbei wird eine Metallschicht mittels eines Elektro-lyten von ihrem metallischen oder nichtmetallischen Grundwerkstoff durch einen kontrollierten elektrischen Stromfluss ab ge löst, also durch die Um kehrung des Galvanisierprozesses. Die zur Schicht ablösung erfor-derliche Strommenge ist di rekt der abzulösenden Metall-masse proportional. Daraus er gibt sich ein eindeutiger Zusammenhang zwischen Ablösezeit und Schichtdicke, wenn der Ablösestrom und die Ablösefläche konstant gehalten werden.

Die Schichtablösung erfolgt mit einer Messzelle – eine Art elektrolytisches Miniaturbad. Die Messfläche wird durch eine Kunststoffdichtung definiert, die auf die Messzelle aufgesteckt wird. Die benutzten Elektrolyte sind für die verschiedenen Schichtwerkstoffe so zusam-mengesetzt, dass ein Ab lösen erst bei Stromfluss statt-findet. Der Ablösevorgang wird durch die Elektronik des Messgerätes ausgelöst. Eine Pumpe bewegt die Elektrolytflüssigkeit in der Messzelle, so dass immer frischer Elektrolyt zur Ablösefläche gelangt und damit eine gleichmaßige Ablösung sichergestellt wird. Je nach Größe der zur Verfügung stehenden Messfläche sind Dichtungen mit unterschiedlichen Durchmessern für die Messzelle erhältlich.

d: Schichtdicke [µm]eÄ: elektrochemisches Äquivalent [g/As]I: Ablösestrom [A]�: Stromausbeutet: Ablösezeit [s]A: Ablösefläche [cm2]�: Dichte des abgelösten Schichtwerkstoffs [g/cm3]

Schematische Darstellung

Messzelle

Kunststoffdichtung

Schichtwerkstoff

Grundwerkstoff

U

I

�

Beginn der Schichtablösung

Span

nung

U

Zeit t

Ablösevorgang der Schicht

Span

nung

U

Zeit t

Ende der Schichtablösung

Span

nung

U

Zeit t

Messung der Restzinndicke an einer Leiterplatte

Für die Ermittlung der Schichtdicke durch den coulome-trischen Ablöseprozess gilt folgende Formel:

6 COULOSCOPE CMS2 / COULOSCOPE CMS2 STEP

Anwendungen für COULOSCOPE® CMS2 STEP

Das STEP­Test­Verfahren wird eingesetzt, um gleichzei­tig die Potenzialdifferenzen und die Schichtdicke von Mehrfach­Nickelschichten zu messen und damit das Korrosionsverhalten dieser Beschichtungen beurteilen zu können. Es hat sich als gängiges Messverfahren für diesen speziellen Einsatzbereich etabliert.

AnwendungZur Qualitätskontrolle von Mehrfach-Nickelschichten sind Messmittel erforderlich, mit denen sich Dicke und elektrochemisches Potenzial gleich nach der Beschich-tung überprüfen lassen. Dafür wurde das Messsystem

Cr: mikroporig (0,3 – 0,4 µm) oder mikrorissig (ca. 0,8 µm)

Ni: mikroporig, mikrorissig (2 – 3 µm)

Ni: Glanz-Nickel (15 – 20 µm)

Ni: hoch schwefelhaltig (selten)

Ni: Halbglanz-Nickel (20 – 25 µm)

Cu: sauer (25 – 30 µm)

Cu: zyanidisch (ca. 3 µm)

Konversionsschicht bei Al, NiP: einige 10 nm; bei Kunststoffen: 1 – 2 µm

Grundwerkstoff: Fe, Al, ABS

Prinzipieller Aufbau eines Schichtsystems mit 4 Nickelschichten

COULOSCOPE CMS2 STEP entwickelt, das sich mit seiner einfachen Bedienung und der unkomplizierten Handha-bung der Bezugselektrode für den rauen Einsatz in Gal-vanikbetrieben eignet. Die elektrolytische Vernickelung wird zum dekorativen Korrosionsschutz und zur Verbes-serung der mechanischen Oberflächeneigenschaften, wie z.B. der Härte, eingesetzt.

Besonders im Automobilbau müssen vernickelte Teile hohen Anforderungen hinsichtlich des Korrosionsver-haltens gerecht werden. Einfach-Nickelschichten sind dafür ungeeignet. Es werden daher recht komplexe Schichtsysteme eingesetzt, die aus zwei, drei oder sogar vier verschiedenartigen Nickelschichten sowie weiterer Schichten aus Chrom und Kupfer bestehen.

Typische Anwendung für das CMS2 STEP: verchromte Zier-blenden im Automobilbau, basierend auf Mehrfach-Nickel-schichten

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STEP-Test Messung nach ASTM B764 – 94 und DIN EN ISO 2177

Schematische Darstellung

Glanz-Nickelschicht

Halbglanz-Nickelschicht

Grundwerkstoff

STEP-Messzelle

Ag-Konus(Potenzial-messung)

Kunststoff-dichtung

Upot

U

I

Beginn der Schichtablösung Ablösung Glanz-Nickelschicht Ablösung Halbglanz-Nickelschicht Ende der Schichtablösung

MessverfahrenSTEP-Test (Simultaneous Thickness and Electrochemical Potential determination) ist eine seit langem standar-disierte Mess methode zur gleichzeitigen Bestimmung der Einzelschichtdicken und der elektrochemischen Potenzialdifferenzen zwischen den einzelnen Schichten eines Nickelschichtsystems. Die Schichtdickenmessung erfolgt nach dem coulometrischen Ver fahren. Der Poten-zialverlauf wird mit einer AgCl-beschichteten Silberbe-zugselektrode erfasst. Der Potenzialverlauf wird auf dem Display dargestellt und durch entsprechende Cur-sor-Positionierungen auf der Kurve lassen sich die Ein-zelschichtdicken und die Potenzialdifferenzen ermitteln.

Um vergleichbare Ergebnisse bei der Potenzialmessung zu erhalten, muss die Bezugselektrode immer den glei-chen Ab stand zum Messobjekt aufweisen. Dies wird mit

einer speziellen Messzelle er reicht. Die Silberbezugs-elektrode ist als konusförmige Ringelektrode ausgeführt und bildet den unteren Mess zellenge häuseteil auf den nur noch die notwen dige Messzellendichtung aufge-steckt wird. Diese Mess zel lenkonstruktion gewähr leis tet einen immer gleichen Abstand zwischen Bezugselekt-rode und Mess objekt.

STEP-Test Messzelle auf ein Prüfteil aufgesetzt

Upot

t

Upot

t

Upot

t

Upot

t

U > 120 mV

Schichtdicke Materialanalyse Mikrohärte Werkstoffprüfung

941-

008

02/1

401

-14

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www.helmut­fischer.com

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Helmut Fischer AG undHelmut Fischer Technologie AGCH-6331 Hünenberg, Switzerland

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