ZHN Nanoindenter

ZHN Nanoindenter für die Prüfung an Metallen und Industriewerkzeugen

Die umfassende mechanische Charakterisierung dünner Schichten oder kleiner Oberflächenbereiche mit der notwendigen Kraft- und Wegauflösung – das ist das Anwendungsfeld des ZHN Nanoindenters.

Vorteile & Merkmale

Die Vielfalt und Flexibilität des Prüfkonzepts

Der Universelle Nanomechanische Tester ZHN ist eine Weiterentwicklung der bewährten Nanoindenter-Technik von ASMEC. Er kombiniert erstmals zwei Messköpfe in normaler Richtung (Nanoindenter-Prinzip) und lateraler Richtung (Scratchtester-Prinzip), die beide völlig unabhängig voneinander mit Nanometer-Auflösung arbeiten. Damit lassen sich erstmals laterale Kraft-Verschiebungs-Kurven messen, aus denen mehr Materialparameter gewonnen werden können als bisher (siehe Anwendungsbeispiele). Dies beinhaltet die Messung der lateralen Steifigkeit und rein elastischer lateraler Deformationen der Probe.

Durch den 2-säuligen Lastrahmen mit Zentralspindel-Antrieb und Präzisionsführung ist eine steifere Rahmenkonstruktion gewährleistet. Zudem ist die Eindringkörperachse genau in der Bewegungsachse angeordnet. Es es tritt kein Kippmoment auf, und Abbe’sche Messfehler sind ausgeschlossen. Die Gerätsteife ist mit mehr als 10⁶ N/m so hoch, dass sie nicht mehr korrigiert werden muss, was die Kalibrierung der Flächenfunktion wesentlich erleichtert.

Im Gegensatz zu den Geräten anderer Hersteller arbeiten die beiden Messköpfe sowohl in Zug- als auch in Druckrichtung, sodass auch mit einer Schwingung überlagerten Eindringprüfung wie auch zyklische Ermüdungsprüfungen umsetzbar sind.

Einsatzgebiete

Schichtentwicklung von weich (Polymer) bis hart (diamantartige Schichten)
Bestimmung kritischer Spannungen für Rissbildung oder plastische Deformation
Hartstoffschichten für Werkzeuge und als Kratzschutz
Schutzschichten auf Gläsern
Lacke und Sol-Gel-Schichten
Automatisierte Messung des Härteverlaufs an Querschliffen
Nano-Schichten für Sensoren und MEMS/NEMS
Biologische Materialien
Matrixeffekte in Legierungen (Mapping)
Keramische Materialien und Komposite
Ionenimplantierte Oberflächen
Schadensanalyse in der Mikroelektronik

Mit dem ZHN „auf der sicheren Seite“

Anwendungen in der Wissenschaft ändern sich häufig. Mit dem ZHN „auf der sicheren Seite“: eine Plattform, die Flexibilität und Zuverlässigkeit bietet.

Das ZHN hat für gesamten Nano- und Mikrobereich das höchste Signal-Rausch-Verhältnis (106) aller existierenden Nanoindenter, normal und lateral.
Mit dem 20 N Messkopf kann neben der instrumentierten Eindringprüfung im Makrobereich auch die klassische Vickers-Härteprüfung und Ermüdungsprüfungen durchgeführt werden.
Das ZHN ist einzigartig mit einer echten Kraft- und Wegregelung. Die Messköpfe besitzen eine hohe laterale Steife – der Austausch von Eindringkörpern ist extrem einfach und Kalibrierung bzw. Messgenauigkeit werden nicht beeinflusst.
Die Lateralkrafteinheit (LFU) ist perfekt geeignet für Scratch-, Verschleiß- und multiaxiale Prüfungen: auch bei größeren Kräften werden aktiv laterale Kraftverschiebungskurven mit nm-Auflösung gemessen.

Optimaler Workflow im Prüflabor

Das gesamte Prüfsystem ist an den Workflow und die Anforderungen in einem Prüflabor angepasst.

Intuitiver Workflow erleichtert die Bedienung
Timer-Funktion in InspectorX ermöglicht Messungen zu „stillen“ Zeiten>
Zeitersparnis mit dem ZHN: einzigartige Mapping-Funktion misst Topografie, Reibungskoeffizient und Eindringmodul in einem Durchgang
Einhausung für die Reduzierung umgebungsbedingter Einflüsse auf das Messergebnis
Aktive Schwingungsisolation und spezieller Aufstelltisch zur Entkopplung externer Störquellen
Alternative Messköpfe können sicher aufbewahrt werden

Flexibel und modular

Die Flexibilität des Prüfsystems ZHN zeichnet sich durch vielseitige Anwendungen, aber auch durch Modularität und nachträgliche Anpassungsmöglichkeiten aus.

Die einzigartige Tandem-Optik mit 2 Kameras kann um optische Auswerteeinheiten (z.B. WLI oder AFM) erweitert werden. Diese sind vollständig in das Prüfsystem integriert.
Das robuste Design ermöglicht die Integration verschiedenster Eindringkörper und Probenhalterungen.
Der Wechsel eines Eindringkörpers ist einzigartig einfach.
InspectorX ist eine moderne Software mit übersichtlichem Design und Anwendungsmodulen

Härteverlauf mit einem Berkovich-Eindringkörper

Härte und Elastizitätsmodul gemäß DIN EN ISO 14577

Die Messungen erfolgen üblicherweise mit einem Berkovich-Indenter unter Kraftsteuerung. Es sind sehr schnelle Messungen möglich, beispielsweise mit 10 s Belastung, 5 s Haltezeit und 4 s Entlastung.

Messbare Größen:
Eindringhärte H_IT (umwertbar in H_V)
Martenshärte HM oder HMs
Eindringmodul E_IT (Elastizitätsmodul)
Eindringkriechen C_IT oder Relaxation R_IT
Verhältnis elastischer Verformungsanteil zu Eindringarbeit η_IT

Insgesamt können mehr als 60 Größen ausgegeben werden.

Umfangreiches Zubehör

Ein umfangreiches Zubehör ermöglicht Flexibilität und Modularität.

Zum ZHN Zubehör

Technischer Überblick

Modularer Aufbau bestehend aus

2-säuligem Lastrahmen mit Zentralspindel-Antrieb, Präzisionsführung und Granitsockel
Motorischem Zentralspindel-Antrieb und programmierbarem motorischem Kreuztisch
3-Achsen-Schrittmotor-Steuerung als PCI-E Einsteckkarte
Tandem-Mikroskop mit 2 Kameras und LED-Auflichtbeleuchtung LED grün
Steuerelektronik für Maschine und Messkopf
Austauschbaren Messköpfen bis 20 N
Steuer- und Auswertesoftware InspectorX
SW-Modulen für Autofokus
SW-Modul für Übersichtsbild aus zusammengesetzten Einzelbildern mit großer Schärfentiefe

Artikel-Nr.	1011428
Maße (H x B x T)	790 x 640 x 390	mm
Gewicht	ca. 105	kg
Elektrische Spannung	230	V
Optik
Tandem-Mikroskop mit zwei Videokameras	1280 x 1024 Pixel, USB 3.0-Verbindung
Beleuchtung	grüne LED, max. Leistung 1 W
Objektiv	50 x¹ [ 5 x ]²
Arbeitsabstand	0,38 / 10,6 ³ [ 10,6 ]	mm
Optische Vergrößerung auf 23'' (Kamera 1/Kamera 2)	1000 x / 3350 x [ 100 x / 335 x ]
Bildfeld (Kamera 1/Kamera 2)	324 x 259 μm / 96 x 77 μm [ 3,2 x 2,6 mm / 0,97 x 0,77 mm ]
Pixelauflösung klein/groß (Kamera 1/Kamera 2)	254 nm / 76 nm [ 2540 nm / 760 nm ]
Tischsystem
X-Tisch Verfahrweg	100 mm, Schrittweite 50 nm
Y-Tisch Verfahrweg	200 mm, Schrittweite 50 nm
Z-Tisch Verfahrweg	70 mm, Schrittweite 10 nm
Maximale Probengröße (X x Y x Z)	80 x 80 x 60	mm
Maximale Länge eins Scratch-Tests	25⁴	mm

im Standard-Lieferumfang enthalten
5 x-Objektiv mit manueller Verschiebung, siehe Optikvarianten
Long Distance-Objektiv, siehe Optikvarianten
abhängig von der Ebenheit der Probenoberfläche

Anwendungsbereiche des ZHN Nanoindenters

Härte und Elastizitätsmodul gemäß DIN EN ISO 14577

Die Messungen erfolgen üblicherweise mit einem Berkovich-Indenter unter Kraftsteuerung. Es sind sehr schnelle Messungen möglich, beispielsweise mit 10 s Belastung, 5 s Haltezeit und 4 s Entlastung.

Messbare Größen:

Eindringhärte H_IT (umwertbar in H_V)
Martenshärte HM oder HMs
Eindringmodul E_IT (Elastizitätsmodul)
Eindringkriechen C_IT oder Relaxation R_IT
Verhältnis elastischer Verformungsanteil zu Eindringarbeit η_IT

Insgesamt können mehr als 60 Größen ausgegeben werden.

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Vickershärte

Die Vickershärte kann aus der Eindringhärte berechnet werden. Ein umfangreicher Vergleich der Bundesanstalt für Materialforschung (BAM) mit 20 Materialien zwischen der konventionellen Vickershärte und der mit InspectorX Algorithmen berechneten, aus H_IT umgewerteten Vickershärte ergab eine mittlere Differenz von < 10 % im Gegensatz zu 25 – 30 % bei anderen Software-Paketen.

[T. Chudoba, M. Griepentrog, International Journal of Materials Research 96 (2005) 11 1242 – 1246]

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QCSM - Quasi Continuous Stiffness Measurement

Tiefenabhängige Messungen mit QCSM-Modul

Die „Quasi Continuous Stiffness Measurement-Methode” ist ein von ASMEC neu entwickeltes Modul, das es ermöglicht, die Kontaktsteifigkeit der Probe nicht nur mit Hilfe der Entlastungskurve für eine Tiefe zu bestimmen, sondern für viele Punkte während des Eindringvorgangs. Dadurch können Härte und Elastizitätsmodul tiefenabhängig an ein und demselben Probenort ermittelt werden. Zusätzlich wird die Empfindlichkeit der Messung bei kleinen Kräften erhöht, sodass sich Steifigkeitswerte bereits für sehr geringe Kräfte und Eindringtiefen ermitteln lassen. Mit dem QCSM-Modul wird die Lastzunahme für kurze Zeit (1 – 4 s) gestoppt und der Piezospannung eine sinusförmige Schwingung überlagert. Im Gegensatz zu anderen Methoden wird die Amplitude für Kraft oder Weg nicht direkt vorgegeben. Mit einem Lock-In-Filter werden Amplitude und Phase der Schwingungen bestimmt.

Mehr zum QCSM-Modul

Spannungs-Dehnungs-Kurven-Berechnung mit Neuronalen Netzen

In Zusammenarbeit mit dem Forschungszentrum Karlsruhe wurde eine Methode entwickelt, die es gestattet, aus Eindrücken von Kugelindentern die komplette Spannungs-Dehnungs-Kurve von Metallen zu ermitteln. Sie beruht auf der Nutzung neuronaler Netze zur Parameteridentifikation und berücksichtigt auch die kinematische Verfestigung.

Mehr zur Spannungs-Dehnungs-Kurven-Berechnung

Ermittlung von Höhenprofilen

Scans der Oberfläche können sowohl mit der Lateralkrafteinheit (LFU) in X-Richtung mit nm-Auflösung als auch ohne LFU mit den XY-Tischen mit μm-Auflösung durchgeführt werden. Dabei werden Rauheitswerte wie R_a, R_q oder R_t bestimmt.

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Mikro-Verschleißtests

Oszillierende Verschleißtests mit Amplituden bis 140 μm können durchgeführt werden.

Mehr zum Mikro-Verschleißtests

Mikro-Scratch-Test auf Silizium, Fmax 500 mN

Scratch und Mikro-Scratch-Tests

Die Tests werden typischerweise mit kugelförmigen Spitzen zwischen 5 und 10 μm Radius durchgeführt. Damit befindet sich das Spannungsmaximum meist in der Schicht und nicht im Substrat. Es sind mehrfache Scans der Oberfläche möglich. Durch die geringe Scratchlänge werden der Verschleiß der Spitze und der Einfluss von Oberflächenrauheiten reduziert.

Mehr zu Scratch und Mikro-Scratch-Tests

... und noch mehr Anwendungen mit dem ZHN

Adhäsionsmessungen (z.B. an Flüssigkeiten)
Rein elastische Messungen mit Kugelindenter zur Bestimmung des E-Moduls, auch von sehr dünnen, harten Schichten unter 50 nm Dicke
Mikro-Zugprüfungen
Ermüdungsmessungen mit geringer Zyklenzahl

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Interessante Anwendungen

Instrumentierte Eindringprüfung

ISO 14577

zu Instrumentierte Eindringprüfung

Nanoindentation

ISO 14577

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Produktbroschüre: Härte prüfen mit ZwickRoell PDF 13 MB
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Produktinformation: ZHN - Universelles Nanomechanisches Prüfsystem PDF 2 MB
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Produktinformation: Probenhalter für den Nanoindenter ZHN PDF 361 KB
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Produktinformation: ZHN/SEM - Nanoindenter für Rasterelektronenmikroskope PDF 1 MB
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Produktinformation: Probenheizer bis 400 °C für Hochtemperatur-Nanoindentation PDF 418 KB
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Nanoindenter ZHN

Eine neue Dimension

ZHN Nanoindenter für die Prüfung an Metallen und Industriewerkzeugen

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Technischer Überblick

Anwendungsbereiche des ZHN Nanoindenters

Anwendungsbereiche des ZHN Nanoindenters

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