ISO 27307 Bewertung der Haftung und Kohäsion von thermisch gespritzten Keramikbeschichtungen durch Querkratztest

Die Norm „ISO 27307 Thermisches Spritzen – Bewertung von Haftung und Kohäsion thermisch gespritzter Keramikbeschichtungen durch Querkratzprüfung“ der Internationalen Organisation für Normung (ISO) beschreibt ein Verfahren zur Bewertung der Haftung und Kohäsion thermisch gespritzter Keramikbeschichtungs-Substrat-Systeme mittels Querkratzprüfung. Diese internationale Norm eignet sich für thermisch gespritzte Keramikbeschichtungen mit Dicken von 50 μm bis über 1.000 μm. Sie eignet sich auch für die Prüfung von Keramikbeschichtungen, die durch andere Spritzbeschichtungsverfahren wie Kaltgasspritzen und Aerosolabscheidung abgeschieden wurden.

Für die Zwecke dieser Norm gelten die folgenden Begriffe und Definitionen:

• Unter Adhäsion versteht man den Zustand, in dem Beschichtungen und das darunterliegende Substrat durch Grenzflächenkräfte zusammengehalten werden. Dabei kann es sich um Valenzkräfte, Verriegelungskräfte oder beides handeln.
• Unter Kohäsion versteht man die Bindungsstärke zwischen Strukturelementen in Straßenbelägen.

Beim Kratztest wird ein Eindringkörper bekannter Geometrie durch ein Beschichtungs-Substrat-System gezogen. Bei diesem Test besteht der Eindringkörper aus bekanntem Material, hat eine bekannte Größe und Geometrie, z. B. einen Rockwell-Diamant-Kegel-Eindringkörper. Der Test wird über eine festgelegte Länge unter konstanter Last durchgeführt. Durch Entfernen der Beschichtung vom Substrat kann die Haftung des Beschichtungs-Substrat-Systems beurteilt und der Haftungsgrad mit ähnlichen Beschichtungs-Substrat-Systemkombinationen verglichen werden. Tritt ein Versagen nur in einer thermisch gespritzten Keramikbeschichtung auf, ist die inhärente Kohäsion der Beschichtungen offensichtlich. Wird kein Versagen beobachtet, kann die Prüflast erhöht werden, bis ein Beschichtungsversagen eintritt. Verschiedene Beschichtungsversagensarten beim Kratztest sind im Anhang der Norm (Anhang A) beschrieben.

Beim Kratztest können sich aufgrund der hinter dem Eindruck entstehenden Zugspannungen Risse bilden, die die Druckreibungsspannungen an der Vorderseite ausgleichen können. Die Rissbildung kann durch einen im Eindruckhalter der Kratzprüfmaschine installierten Körperschallsensor erkannt werden. Zusätzlich kann die Tangentialkraft zwischen Eindruck und Prüfoberfläche überwacht werden, um weitere Informationen über die Versagensbedingungen zu erhalten. Diese Tangentialkraft, oft fälschlicherweise als Reibungskraft bezeichnet, resultiert sowohl aus der Reibung zwischen Eindruck und Prüfling als auch aus der Pflugkraft, die zur Verformung des Beschichtungs-Substrat-Systems erforderlich ist.

Eine Ritzprüfmaschine ist ein Werkzeug, mit dem sowohl die Normallast als auch die Antriebskraft aufgebracht werden, um den Eindringkörper festzuhalten und Kratzer zu erzeugen. Um den gewählten Belastungsplan zu erreichen, wird in der Regel eine Federauslenkung verwendet. Magnetisch angetriebene Baugruppen sind ebenso geeignet. Die Ritzprüfmaschine besteht typischerweise aus einem starr montierten Diamanteindringkörper mit einer konischen Rockwell-Diamantgeometrie. Derzeit wird ein Diamanteindringkörper mit einem Spitzenradius von 20 μm empfohlen. Die verwendete Ritzprüfmaschine muss gemäß den in ISO 20502 beschriebenen Verfahren kalibriert werden.

Die Probengröße für Ritzprüfungen variiert, da die Prüfmaschinen unterschiedliche Probenhalter verwenden. Im Allgemeinen wird eine Probengröße von 20 x 20 mm² ^empfohlen . Nach dem Sprühen werden die Beschichtungen senkrecht zur Oberfläche geschnitten, in ein geeignetes Material eingebettet und poliert. Gemäß Standardverfahren der Metallographie sollte der Querschnitt der Beschichtungen vor der Ritzprüfung auf maximal 0,5 µm poliert werden (ISO 4287). Da die Proben empfindlich auf Hitze oder Druck reagieren können, wird die Einbettung in ein kühles Einbettungsmedium wie Acrylharz empfohlen. Eine Vakuumimprägnierung ist in der Regel nicht erforderlich. Vor der Ritzprüfung sollte die Probe mit Alkohol oder Aceton gereinigt und getrocknet werden, um Oberflächenverunreinigungen wie Öl, Fett und Feuchtigkeit zu entfernen. Fingerabdrücke im Prüfbereich sind zu vermeiden. Folgende Informationen sind vom Beschichtungshersteller einzuholen: Material und Dicke des Substrats sowie Material und Dicke der Beschichtung.

Der Kratztest erfordert eine Interaktion zwischen Eindringkörper und Probe, die empfindlich auf Umgebungsbedingungen reagieren kann. Daher sollten Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit überwacht und kontrolliert werden, um die Wiederholbarkeit zu gewährleisten. Empfohlene Umgebungsbedingungen sind: 22 Grad Celsius plus/minus 2 Grad Celsius und 50 Prozent plus/minus 5 Prozent relative Luftfeuchtigkeit.

Nach dem Kratztest wird anhand der aufgenommenen Bilder der prozentuale Anteil der einzelnen Fehlerarten ermittelt. Typische Fehlerarten, darunter keine Risse, Kohäsionsrisse und Adhäsionsrisse, sind im Anhang A der Norm aufgeführt. Adhäsionsversagen wird durch Risse an der Grenzfläche zwischen der Beschichtung und einer anderen Komponente des Beschichtungs-Substrat-Systems (Haftschicht/Substrat oder Deckschicht/Haftschicht) angezeigt, während Risse innerhalb der Beschichtung auf Kohäsionsversagen hinweisen. Treten beide Fehlerarten in einer Probengruppe auf, gilt eine Fehlerart als gültig, wenn sie mehr als 30 Prozent der beobachteten Fehler ausmacht. Beispiele für Fehlerarten sind in der Tabelle „Beispiel für die Bewertung von Fehlerarten“ aufgeführt.

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