Prüfung der Porosität

Poröse Materialien finden sich eigentlich überall. Bereits in der Natur bei Gesteinen, insbesondere magmatischer Herkunft (Abb. 1a) ist ihre Porosität gut erkennbar. Ein uns gut bekanntes Beispiel eines porösen Materials ist ein Haushaltsschwamm (Abb. 1b).

                 Abb. 1 Beispiele für Porosität: a) magmatischer Gestein, b) Haushaltsschwamm

Porosität und ihre Auswirkung

Die Porosität ist ein dimensionsloses Maß und stellt das Verhältnis zwischen dem Hohlraumvolumen und dem Gesamtvolumen eines Stoffes oder Stoffgemisches dar. Poröse Materialien werden je nach der Porengröße in drei Gruppen eingeteilt: 0-2 nm: mikroporös; 2-50 nm: mesoporös, >50 nm: makroporös.

Porosität hat eine interessante Eigenschaft zur Folge. Die spezifische Oberfläche wird durch das Vorhandensein von Poren beeinflusst. Anstatt lediglich die äußeren Abmessungen eines Partikels zu bestimmen, müssen nun Poren verschiedener Art berücksichtigt und in die Berechnung der spezifischen Oberfläche einbezogen werden. Durch Poren, aber auch durch Wellen und Kanten, welche aus der Rauigkeit der Oberfläche resultieren, kann die spezifische Oberfläche eines Partikels erheblich zunehmen. So kann die spezifische Oberfläche poröser Materialien, welche eine große Anzahl sehr kleinen Poren aufweisen, mitunter größer sein als ein Fußballfeld –oder anders ausgedrückt: mehrere Tausend Quadratmeter pro Gramm.

In der Technik wird die Porosität sehr beachtet. Ursprünglich wurde sie durch natürliche und allgemein unerwünschte Bedingungen, insbesondere bei der Herstellung von anspruchsvollen Gussteilen verursacht. Heute gibt es auch eine künstlich erzeugte und daher erwünschte Porosität. Metallschäume und Sinterteile sowie Leichtbeton sind Beispiele für gewünschte Porosität.

                  Abb. 2 Gesinterte Werkstoffe a) Bronze, b) Aluminium

Porosität in der Sintertechnik

Insbesondere bei gepresster oder gesinterter Werkstoffen/Bauteilen (Abb. 2) ist die Porosität das vorrangige Merkmal. Wie bereits erwähnt sind Metallschäume (Metallschäume) ein wichtiges Beispiel solcher Werkstoffe. Im Gegensatz zu schmelzmetallurgisch hergestellten Werkstoffen werden ihre Eigenschaften deutlich stärker durch die Porosität als durch die chemische Zusammensetzung und Gefüge beeinflusst. Dies ist auch der Grund dafür, dass die Sinterwerkstoffe in den Standards nach Porositätsklassen eingeteilt sind. Die Porosität bewegt sich im Bereich von ca. 30% (Filter, Lager) bis zu etwa 2%.

Mit der gezielten Steuerung der Porosität in Sinterwerkstoffen lassen sich die Eigenschaften des Werkstückes je nach Anwendung weiter ändern. Erst mit Hilfe einer Warmverdichtung bzw. durch Tränken kann sie völlig eliminiert werden. Ein gutes Beispiel dafür ist Porzellan, das ebenso zu den gesinterten Werkstoffen gehört.

Methoden der Prüfung der Porosität 

Damit spielt die Prüfung der Porosität von Sinterwerkstoffen in der Technik eine wichtige Rolle. Wie kann eine solche Messung durchgeführt werden? Dafür können verschiedene Methoden eingesetzt werden.

Dabei unterscheiden wir die Prüfung von Porosität im ganzen Volumen eines Stoffes/Bauteils und die Prüfung der Porosität von Beschichtungen. Es gibt beispielweise mehrere Methoden für die Beurteilung der Porosität elektrolytisch abgeschiedener Überzüge aus Goldlegierungen mithilfe der elektrischen Leitfähigkeit des Untergrundes.

Kommen wir zurück zu den Sinterwerkstoffen und Metallschäumen und betrachten wir hier kurz drei gängige Methoden der Prüfung der Porosität.

Die akustische Resonanzanalyse (Acoustic Resonance Testing, ART), auch Klangprüfung genannt, ist ein zerstörungsfreies Prüfverfahren, das die schnelle und aufwandsarme Prüfung einer breiten Palette von Werkstücken ermöglicht. Wie funktioniert die akustische Resonanzanalyse?

Ausgenutzt wird dabei der physikalische Effekt, dass ein Körper nach geeigneter Anregung (z. B. Anschlag) in bestimmten charakteristischen Eigenformen und Eigenfrequenzen schwingt. Die Schwingungen sind die „Sprache“ des Werkstückes und lassen sich mit einem Mikrofon (Luftschall) oder einem Laservibrometer (Körperschall) erfassen und analysieren. ART ist ein volumenorientiertes Verfahren, mit dem die inneren Werkstückeigenschaften beurteilt werden können. Die mechanischen Eigenschaften des Werkstücks beeinflussen die Resonanzfrequenzen. Aus den Resonanzfrequenzen lassen sich werkstückspezifische Kennwerte berechnen und bestimmten Eigenschaften zuordnen, wie z. B. eben der Porosität oder der Härte.

Porosimetrie ist eine andere und wichtige Methode der Prüfung der Porosität. Diese Technik umfasst das Eindringen einer nichtbenetzenden Flüssigkeit, wie beispielsweise Quecksilber, bei hohem Druck in ein Material unter Verwendung eines Porosimeters.

Die Porengröße wird als Funktion des äußeren Drucks bestimmt, der notwendig ist, um die Flüssigkeit in eine Pore gegen die Oberflächenspannung der Flüssigkeit zu drücken. Quecksilber kann bereits bei niedrigem Druck in größeren Poren eindringen. Ein höherer Druck ist bei kleineren Poren notwendig. Auf diese Weise kann ein breites Bereich von Porengrößen gemessen werden und eine Porengrößenverteilung ab 4 nm bis zum 800 μm (Vakuum) analysiert werden.

Dies hat zur Folge, dass die Quecksilber-Porosimetrie für Materialien mit einer breiten Verteilung der Poren sehr geeignet ist, oder auch bei hauptsächlich Makroporen und hoher Porosität. Vor der Analyse wird Vakuum oder Flow Entgasung eingesetzt, um Feuchtigkeit von der porösen Struktur zu entfernen. Außer Informationen über die Porosität durch Poren in der Festkörper, könnte auch Informationen über die Porosität zwischen Partikeln (Inter-Partikeln Porosität) abgeleitet werden.

Neben der Quecksilber-Porosimetrie gibt es noch Verfahren mit anderen nichtbenetzenden Stoffen, die vor allem bei der Charakterisierung von dünnen Schichten an Bedeutung gewinnen.

Die Porosität kann durch eine metallographische Untersuchung eines Schliffbildes bestimmt werden, also mithilfe eines Mikroskops und einer geeigneten Auswertungssoftware. Die Durchführung der Prüfung ist hierbei in zwei Schritte aufgeteilt: Die Vorbereitung des Schliffes und die Analyse des Schliffes unter einem Mikroskop.

Um ein geeignetes Schliffbild zu erhalten, welches für eine Porenanalyse verwendet werden kann, müssen bei der Erstellung des Schliffes einige wichtige Dinge beachtet werden. Zum einen ist es wichtig, dass beim Schleifen und Polieren die Poren am Rand scharf angeschnitten und nicht deformiert werden. Hierfür ist es erforderlich, dass ein Werkzeug mit hoher Schneidkraft (Diamant) verwendet wird. Außerdem muss beim Schleifen darauf geachtet werden, dass der Anpressdruck auf dem Werkzeug möglichst konstant ist, da sonst ein Ausbrechen der Porenränder die Folge wäre. Daher ist es hilfreich für die Erstellung des Schliffbildes, eine automatische Schleifeinrichtung zu verwenden.

Die Bedeutung poröser Materialien und damit auch der Prüfung der Porosität werden sicher weiter zunehmen.<<

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