COULOSCOPE CMS2 und COULOSCOPE CMS2 STEP Messung von Schichtdicken und elektrochemischen Potenzialen nach dem coulometrischen Verfahren

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1 COULOSCOPE CMS2 und COULOSCOPE CMS2 STEP Messung von Schichtdicken und elektrochemischen Potenzialen nach dem coulometrischen Verfahren Schichtdicke Materialanalyse Mikrohärte Werkstoffprüfung

2 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 Restzinn-Schichtdicke auf Leiterplatten eingesetzt. COULOSCOPE CMS2 STEP Das 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 Potenzialdifferenzen gemäß ASTM B und DIN in der Qualitätskontrolle von Mehrfach- Nickelschichten eingesetzt. Die Schichtdickenmessung erfolgt nach dem coulometrischen Verfahren, der Potenzialverlauf wird gegen eine AgCl-beschichteten Silberbezugselektrode erfasst. Merkmale COULOSCOPE CMS2 Großes, hochauflösendes Farbdisplay Einfache Gerätebedienung und grafisch unterstützte 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 Messung der Restzinn-Schichtdicke auf einer Leiterplatte mit dem COULOSCOPE CMS2 und Stativ V18 COULOSCOPE CMS2 Das CMS2 misst die Dicke nahezu aller metallischen Schichten auch Mehrfachschichten auf beliebigen Grundwerkstoffen. Dazu wird das coulometrische Verfahren 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 Galvaniken 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 Ablösegeschwindigkeiten (z.b. 1,2,5,10 µm/min) stehen standardmäßig zur Verfügung. Diese können auch zur Messung von Mehrfachschichtsystemen kombiniert werden. Spezielle Merkmale COULOSCOPE CMS2 STEP Gleichzeitige Messung der Schichtdicken und Potenzialdifferenzen Einfache Konditionierung der Silberbezugselektrode Ablösestrom einstellbar 2 COULOSCOPE CMS2 / COULOSCOPE CMS2 STEP

3 Optionales Zubehör und Kalibrierung Standard-Stativ V18 für vielfältige Anwendungen und Stativ V27 speziell für die Schichtdickenmessung an Drähten Systemübersicht Ein 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 Verfügung. Optionales Zubehör Umfangreiches Zubehör ermöglicht ein praxisgerechtes Arbeiten, eine sichere Aufbewahrung und Hilfen für die Befestigung von Messobjekten. Schraubstock zur Befestigung von Messobjekten; auch zur Montage auf den Aufspannplatten der Messstative V18 und V24 geeignet Kalibrierung Mit der Kalibrierung wird ein Korrekturfaktor ermittelt. Berücksichtigt werden dabei Abweichungen der Kunststoffdichtungen vom Solldurchmesser, Abweichungen von Legierungsanteilen und Dichteschwankungen des Schichtwerkstoffs. 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 Prüfnormale zur Kalibrierung des Messsystems mit 5 x 5 individuell vermessenen Prüfbereichen auf dem Normal 3

4 Anwendungen für COULOSCOPE CMS2 Das coulometrische Verfahren ist eine der einfachsten Methoden der Schichtdickenmessung und kann für ein breites Spektrum an Schicht-Träger-Kombinationen eingesetzt werden. Gerade bei Mehrfachschichten bietet es eine kostengünstige Alternative zum Röntgenfluoreszenz-Verfahren, wenn eine zerstörende Messung eingesetzt werden kann. Anwendung Das robuste und anwenderfreundliche COULOSCOPE CMS2 eignet sich sowohl für die Produktionsüberwachung in der Galvanik als auch für die Wareneingangskontrolle an fertigen Teilen. Viele in der Praxis vorkommende Ein- und Zweifachschichten wie z.b. Zn auf Eisen oder Sn/Ni auf Kupfer können mit dem CMS2 schnell und unkompliziert gemessen werden. Das Verfahren bietet exakte Messungen von praktisch jeder Metallschicht. Je nach Werkstoff in den Bereichen 0,05 µm bis 50 μm, dabei sind keine Voreinstellungen nötig. Auch Geometrie und Grundwerkstoffzusammensetzung 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. Anwendungsbeispiele für das COULOSCOPE CMS2: verzinkte Befestigungselemente, Prüfung des Restzinngehalts auf Leiterplatten, verchromte Badarmaturen 4 COULOSCOPE CMS2 / COULOSCOPE CMS2 STEP

5 Coulometrische Schichtdickenmessung nach DIN EN ISO 2177 Messverfahren Die COULOSCOPE-Geräteserie misst nach dem coulometrischen Verfahren ge mäß DIN EN ISO Hierbei wird eine Metallschicht mittels eines Elektrolyten 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 erforderliche Strommenge ist di rekt der abzulösenden Metallmasse proportional. Daraus er gibt sich ein eindeutiger Zusammenhang zwischen Ablösezeit und Schichtdicke, wenn der Ablösestrom und die Ablösefläche konstant gehalten werden. Messung der Restzinndicke an einer Leiterplatte Für die Ermittlung der Schichtdicke durch den coulometrischen Ablöseprozess gilt folgende Formel: d: Schichtdicke [µm] eä: elektrochemisches Äquivalent [g/as] I: Ablösestrom [A] : Stromausbeute t: Ablösezeit [s] A: Ablösefläche [cm 2 ] : Dichte des abgelösten Schichtwerkstoffs [g/cm 3 ] 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 zusammengesetzt, dass ein Ab lösen erst bei Stromfluss stattfindet. 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. Schematische Darstellung I U Messzelle Kunststoffdichtung Schichtwerkstoff Grundwerkstoff Spannung U Zeit t Beginn der Schichtablösung Spannung U Zeit t Ablösevorgang der Schicht Spannung U Zeit t Ende der Schichtablösung 5

6 Anwendungen für COULOSCOPE CMS2 STEP Das STEP-Test-Verfahren wird eingesetzt, um gleichzeitig die Potenzialdifferenzen und die Schichtdicke von Mehrfach-Nickelschichten zu messen und damit das Korrosionsverhalten dieser Beschichtungen beurteilen zu können. Es hat sich als gängiges Messverfahren für diesen speziellen Einsatzbereich etabliert. Anwendung Zur Qualitätskontrolle von Mehrfach-Nickelschichten sind Messmittel erforderlich, mit denen sich Dicke und elektrochemisches Potenzial gleich nach der Beschichtung überprüfen lassen. Dafür wurde das Messsystem COULOSCOPE CMS2 STEP entwickelt, das sich mit seiner einfachen Bedienung und der unkomplizierten Handhabung der Bezugselektrode für den rauen Einsatz in Galvanikbetrieben eignet. Die elektrolytische Vernickelung wird zum dekorativen Korrosionsschutz und zur Verbesserung der mechanischen Oberflächeneigenschaften, wie z.b. der Härte, eingesetzt. Besonders im Automobilbau müssen vernickelte Teile hohen Anforderungen hinsichtlich des Korrosionsverhaltens 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. Cr: Ni: Ni: mikroporig (0,3 0,4 µm) oder mikrorissig (ca. 0,8 µm) mikroporig, mikrorissig (2 3 µm) Glanz-Nickel (15 20 µm) Ni: hoch schwefelhaltig (selten) Ni: Halbglanz-Nickel (20 25 µm) Typische Anwendung für das CMS2 STEP: verchromte Zierblenden im Automobilbau, basierend auf Mehrfach-Nickelschichten 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 6 COULOSCOPE CMS2 / COULOSCOPE CMS2 STEP

7 STEP-Test Messung nach ASTM B und DIN EN ISO 2177 Messverfahren STEP-Test (Simultaneous Thickness and Electrochemical Potential determination) ist eine seit langem standardisierte 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 Potenzialverlauf wird mit einer AgCl-beschichteten Silberbezugselektrode erfasst. Der Potenzialverlauf wird auf dem Display dargestellt und durch entsprechende Cursor-Positionierungen auf der Kurve lassen sich die Einzelschichtdicken und die Potenzialdifferenzen ermitteln. einer speziellen Messzelle er reicht. Die Silberbezugselektrode ist als konusförmige Ringelektrode ausgeführt und bildet den unteren Mess zellenge häuseteil auf den nur noch die notwen dige Messzellendichtung aufgesteckt wird. Diese Mess zel lenkonstruktion gewähr leis tet einen immer gleichen Abstand zwischen Bezugselektrode und Mess objekt. Um vergleichbare Ergebnisse bei der Potenzialmessung zu erhalten, muss die Bezugselektrode immer den gleichen Ab stand zum Messobjekt aufweisen. Dies wird mit STEP-Test Messzelle auf ein Prüfteil aufgesetzt Schematische Darstellung I STEP-Messzelle U Ag-Konus (Potenzialmessung) Kunststoffdichtung U > 120 mv t t t t Beginn der Schichtablösung Ablösung Glanz-Nickelschicht Ablösung Halbglanz-Nickelschicht Ende der Schichtablösung Glanz-Nickelschicht Halbglanz-Nickelschicht Grundwerkstoff 7

8 FISCHER weltweit Helmut Fischer GmbH Institut für Elektronik und Messtechnik Sindelfingen, Germany Helmut Fischer AG und Helmut Fischer Technologie AG CH-6331 Hünenberg, Switzerland IfG-Institute for Scientific Instruments GmbH Berlin, Germany Fischer Instrumentation (GB) Ltd Lymington, Hampshire SO41 8JD, England Fischer Technology, Inc. Windsor, CT 06095, USA Helmut Fischer S. de R.L. de C.V Querétaro, QRO, Mexico Fischer Instrumentation Electronique Montigny le Bretonneux, France Helmut Fischer S.R.L Sesto San Giovanni (Milano), Italy Fischer Instruments, S.A Barcelona, Spain Helmut Fischer Meettechniek B.V GB Eindhoven, The Netherlands Fischer do Brasil São Paulo, Brazil Fischer Instruments K.K. Saitama-ken , Japan Nantong Fischer Instrumentation Ltd Shanghai , P.R. China Fischer Instrumentation (Far East) Ltd Kwai Chung, N.T., Hong Kong Fischer Measurement Technologies (India) Pvt. Ltd Pune , India Fischer Instrumentation (S) Pte Ltd Singapore , Singapore Helmut Fischer Korea Co., Ltd Seoul City, Republic of Korea Fischer Technology (M) SDN Bhd Petaling Jaya, Malaysia Helmut Fischer Thailand Co., Ltd Bangkok 10250, Thailand / Schichtdicke Materialanalyse Mikrohärte Werkstoffprüfung