Einführung in die Kratzfestigkeit von Glas
Seit seiner Einführung im Jahr 2008 ist das Corning® Gorilla®-Glas aus den Displays von Smartphones nicht mehr wegzudenken. Die Einführung der Victus®-Version des Gorilla®-Glases im Jahr 2020 zeigt, dass die Entwicklung solcher Materialien ein kontinuierlicher Prozess ist. Die Entwicklung chemisch gehärteter Gläser wurde notwendig, um Kratz- und Stoßfestigkeit in einem dünnen Glasbauteil zu vereinen, das Smartphones bei intensiver Nutzung schützen kann. Diese Gläser zeichnen sich durch Oberflächenfestigkeit, die Fähigkeit, Defekte einzudämmen, sowie Kratzfestigkeit aus. Neben der Unterhaltungselektronik, durch die sie allgemein bekannt wurden, finden diese Produkte auch in der Industrie, der Automobilbranche, der Luftfahrt, der Architektur und der Pharmazie Anwendung.
Kratzfestigkeit problematisch
Smartphones erfordern ein dünnes Glasdisplay, das wiederholtes Wischen aushält und auch dann unbeschädigt bleibt, wenn es zusammen mit anderen beschädigenden Gegenständen wie Schlüsseln aufbewahrt wird. Die Glashersteller investieren in Forschungsarbeiten, die zur Entwicklung stärkerer und kratzfesterer Materialien führen können, die von Smartphone-Herstellern verwendet werden. Die Qualität eines guten chemisch gehärteten Glases liegt daher in seiner Fähigkeit, Kratzern durch Partikel oder Gegenstände standzuhalten, die mit seiner Oberfläche in Kontakt kommen. Die Herausforderung bei der Verwendung eines grundsätzlich spröden Materials wie Glas besteht darin, dass man dessen Elastizität erhöhen und gleichzeitig seine Sprödigkeit verringern muss, um die für seine Anwendungen erforderliche Funktionalität zu erreichen. Obwohl Kratztests eine naheliegende Methode zur Prüfung der Kratzfestigkeit dieser Produkte darstellen, können sie Forschern weitaus mehr Informationen liefern als nur die Kratzfestigkeit. Daher bieten Kratztests Forschern und Qualitätssicherungsingenieuren klare Vorteile bei der Verbesserung und Kontrolle dieser Glasprodukte.
Kratzfestigkeitsprüfung – Prüfgrundsätze
Ein Kratzer wird erzeugt, indem eine Diamantspitze mit bekannter Geometrie über die Oberfläche der zu untersuchenden Probe gezogen wird, wie in Abbildung 1 dargestellt. Während die Spitze über die Oberfläche bewegt wird, wird die auf die Spitze ausgeübte Normalkraft linear erhöht, wodurch sich die Kontaktintensität verstärkt. Im Anschluss an den Kratzversuch werden Aufnahmen des gesamten Kratzers angefertigt, um die verschiedenen Verformungen und Versagenserscheinungen zu analysieren.
Abbildung 1: Prinzip der Kratzprüfung
Abbildung 2: Konfokales Bild eines Kratzbruchs
Die normalen Belastungen, bei denen es zu Versagen kommt, werden als kritische Belastungen bezeichnet¹⁻². Kritische Belastungen werden entweder mittels Bildgebung oder einer Kombination aus Bildgebung und Signalen (beispielsweise akustischer Emission) ermittelt. Während des Kratztests können mehrere Signale aufgezeichnet werden, wodurch der Anwender Verhaltensweisen und bestimmte Messwerte miteinander in Zusammenhang bringen kann.
Bedingungen für den Kratztest
Tabelle 1: Testbedingungen
Abbildung 3: Glasprobe im Gerät
Abbildung 4: Diagramme zur Eindringtiefe, Reibungskraft, akustischen Emission und kritischen Belastungen (vertikale Linien) für eine Glasprobe A
Testergebnisse
In allen Fällen kam es bei steigender Normalkraft bei den Gläsern zu mindestens einer Art von Versagen, das sich in Form von Rissen auf beiden Seiten der Kratzrille zeigte. Bei zwei Proben kam es zudem zu einem vollständigen Versagen des Materials mit vollständigem Bruch und Abplatzen des Materials. Abbildung 2 zeigt die resultierende Eindringtiefe und den Reibungskoeffizienten für Probe B bei einer Erhöhung der normalen Kratzbelastung auf bis zu 2 N.
In diesem Fall werden zwei Arten von Fehlern erfasst:
Lc1: Erste Risse an den Seiten der Nut
Absplitterungen und vollständiger Bruch des Glases
Konfokale und Hellfeld-Bildgebung von Versagen
Abbildung 5: Haftversagen an der Grenzfläche
Abbildung 6: Absplitterung an Glas A (Lc2)
Abbildung 7: Konfokale und Hellfeld-Aufnahmen von Glas A im Bereich der Bruchstellen
Das erste Versagen aller Proben (Lc1) lässt sich auf dem Hellfeldbild am unteren Rand von Abbildung 5 deutlich erkennen. Die einzigartige Bildaufnahme, die nach dem Kratzversuch durchgeführt wurde, erfasst sowohl die Höhe als auch die Hellfeldintensität entlang des gesamten Kratzspurverlaufs. Diese vollständige Aufzeichnung liefert zusätzliche Informationen zu den Versagen Lc1 und Lc2 für alle Glasproben. Die Kombination aus konfokaler und Hellfeld-Bildgebung ist bei einem Kratztester einzigartig und liefert Informationen, die vor dem Einsatz des SMT-5000 von Rtec-Instruments nicht verfügbar waren. Eine Zusammenfassung der kritischen Belastungen ermöglicht einen guten Vergleich der Proben, wie in Abbildung 8 dargestellt.
Schlussfolgerungen aus den Kratzprüfungen an Glas
Die drei chemisch gehärteten Gläser lassen sich von schlecht bis gut wie folgt einstufen: A, B und C. Obwohl bei allen Gläsern ein Erstbruch an der Kante der Rille zu beobachten ist, weisen nur A und B bei einer maximalen Kratzkraft von 2 N Abplatzungen auf. Darüber hinaus sehen alle Versagensbilder bei allen drei Proben ähnlich aus, was zu der Schlussfolgerung führt, dass bei allen drei Proben ähnliche Spannungen die Ursachen für Lc 1 und Lc 2 sind.
Abbildung 8: Zusammenfassung der kritischen Belastungen für die drei Glasproben
Schlussfolgerungen
Die Kratztestmethode wurde eingesetzt, um ein „Worst-Case“-Szenario für den Verschleiß und die Beschädigung von chemisch gehärtetem Glas wie beispielsweise Gorilla®-Glas zu simulieren. Die während des Kratztests entstehenden Belastungen liefern Informationen über die Festigkeit der verschiedenen Gläser und ermöglichen eine Einstufung der unterschiedlichen Behandlungsverfahren, die zur Herstellung dieser Proben verwendet wurden. Die Kombination aus Bild- und Signalanalyse liefert ein umfassendes Verständnis des Versagensverhaltens von Glas. Dasselbe Gerät wird auch zur Untersuchung des Verschleißes an denselben Proben verwendet, obwohl diese Ergebnisse hier nicht dargestellt wurden.
Literaturverzeichnis
1ASTMC 1624-05 „Standard-Prüfverfahren zur Bestimmung der Haftfestigkeit und der mechanischen Versagensarten von Keramikbeschichtungen mittels quantitativer Einpunkt-Kratzprüfung.“
2 ISO 20502 „Bestimmung der Haftfestigkeit von Keramikbeschichtungen durch Kratztests.“
3 Managementsystem zur Erosions- und Sedimentkontrolle. Lake Macquarie, Australien: 9. September 1999
