涂鍍層厚度測量方法的研究進(jìn)展

涂鍍層厚度測量方法的研究進(jìn)展

0表面涂覆技術(shù)在過去的20年里，表面工程技術(shù)經(jīng)歷了從單一到復(fù)合的轉(zhuǎn)變，再到納米技術(shù)的發(fā)展過程。表面工程在設(shè)備失效零部件修復(fù)、新零部件表面強化和表面修飾等方面,一般采取兩種方法進(jìn)行處理:(1)表面強化,如表面噴丸、電火花表面強化以及表面熱處理和表面化學(xué)處理等;(2)表面涂覆,常用的技術(shù)有電鍍和電刷鍍、噴涂、堆焊以及表面黏涂等。在采用覆層技術(shù)對零部件表面進(jìn)行處理時,其表面覆層厚度的檢測就顯得尤為重要。若覆層太薄,可能滿足不了零部件表面性能的要求,達(dá)不到表面處理的目的;若覆層太厚,不僅造成材料的浪費,還會造成覆層內(nèi)應(yīng)力過大,降低了覆層的結(jié)合強度,特別是對零部件配合面的表面處理,要保證零部件表面處理后的尺寸和新品零部件的設(shè)計尺寸相一致,以滿足產(chǎn)品設(shè)計時的配合公差;若覆層厚薄不均,亦會對涂鍍層的多種力學(xué)物理性能產(chǎn)生不良影響。為此,要求采取一定的手段對覆層厚度進(jìn)行測量。以下主要對零部件表面涂鍍層厚度的測量方法進(jìn)行了綜述,并對其發(fā)展進(jìn)行了展望。1無損檢測方法按有無破壞性,表面涂鍍層厚度測試方法可分為有損檢測和無損檢測。有損檢測方法主要有計時液流測厚法、溶解法、電解測厚法等,這種方法一般比較繁瑣,主要用于實驗室。目前也有便攜式測厚儀,適合在現(xiàn)場使用。常用的無損檢測方法有庫侖-電荷法、磁性測厚法、渦流測厚法、超聲波測厚法和放射測厚法等,各種無損測厚法均有成型的儀器設(shè)備,使用起來方便簡單,且無需對表面涂鍍層進(jìn)行破壞。因此,該方法已得到了廣泛的應(yīng)用。2一般測量方法的研究2.1自動識別鍍層厚度的實時測量鍍層電量法測厚的根本原理是根據(jù)1838年建立的法拉第定律測量,即通過安培小時計測量刷鍍過程中的電量,然后在假設(shè)所有通過電量均用于鍍層沉積的條件下計算鍍層的厚度:δ=QC?Sδ=QC?S這種方法只需要在電鍍電源上配置一個安培電流計,在刷鍍過程中實時記錄電鍍過程所消耗的電量,并根據(jù)上式計算得到鍍層的厚度。目前基本上所有的電鍍電源均配備有安培電流計,可實現(xiàn)鍍層厚度的實時測量。同時,采用該原理進(jìn)行鍍層厚度的自控儀已經(jīng)開發(fā)出來并投入了實際應(yīng)用。其優(yōu)點是方便快捷,可實現(xiàn)鍍層厚度的實時測量,缺點是測量精度不高。這是由于鍍液的耗電系數(shù)是隨鍍液的種類、溫度、pH值和刷鍍時的壓力以及電流密度的變化而改變的,并且其相互之間的關(guān)系非常復(fù)雜。但是,采用該方法進(jìn)行鍍層厚度測量時,一般認(rèn)為耗電系數(shù)是恒定的,因而導(dǎo)致了測量結(jié)果的系統(tǒng)誤差。2.2電解測厚儀的測厚過程電解法的原理是在鍍層表面的已知面積上,以恒定的直流電流在適當(dāng)?shù)娜芤褐腥芙忮儗咏饘佟．?dāng)鍍層金屬溶解完畢,裸露基體金屬或中間層鍍層時,電解池電壓發(fā)生躍變,即指示測量已達(dá)終點。鍍層的厚度根據(jù)溶解鍍層金屬消耗的電量、鍍層被溶解的面積、鍍層金屬的電化當(dāng)量、密度及陽極溶解的電流效率計算確定。根據(jù)電解法設(shè)計的電解測厚儀的測厚過程類似于電鍍,但化學(xué)反應(yīng)的方向正好相反,即通過對被測部分的金屬鍍層進(jìn)行局部陽極溶解,通過陽極溶解鍍層達(dá)到基體時的電位變化及所需時間來進(jìn)行鍍層厚度的測量。電解測厚儀具有測量準(zhǔn)確、不受基體材料影響、重現(xiàn)性好和使用簡便等優(yōu)點,在國內(nèi)外電鍍行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。與其他測厚儀相比,電解測厚儀還具有一個突出的優(yōu)點就是能夠測量多鎳鍍層中每層鎳的厚度及各鍍層之間的電化學(xué)電位差。目前已有很多成熟的電解測厚儀產(chǎn)品得到了廣泛應(yīng)用,如武漢材料保護(hù)研究所研制生產(chǎn)的DJH系列電解測厚儀、ZD-B系列電解測厚儀和武漢康捷科技發(fā)展有限公司開發(fā)的KJ-4000、KJ-3000系列庫侖測厚儀;國外比較成熟的庫侖鍍層測厚儀有德國EPK公司開發(fā)的GALVANOTEST3000等。該儀器既可以測量平面上的鍍層,也可以測量曲面上的鍍層,并預(yù)置了10種金屬的測量參數(shù)(Cr,Ni,Cu,Zn,Ag,Sn,Ms,Pb,Cd和Au等)。除此之外,還可另設(shè)8種金屬的測量參數(shù),其鍍層厚度最大測量范圍為0.05~75.00μm。2.3自動完成記錄覆層厚度的記錄磁性測厚法可分為2種:磁吸力測厚法和磁感應(yīng)測厚法。磁吸力測厚法的測厚原理:永久磁鐵(測頭)與導(dǎo)磁鋼材之間的吸力大小與處于這兩者之間的距離成一定比例關(guān)系,這個距離就是覆層的厚度。利用這一原理制成測厚儀,只要覆層與基材的導(dǎo)磁率之差足夠大,就可進(jìn)行測量。測厚儀基本結(jié)構(gòu)由磁鋼、接力簧、標(biāo)尺及自停機(jī)構(gòu)組成。磁鋼與被測物吸合后,將測量簧在其后逐漸拉長,拉力逐漸增大。當(dāng)拉力剛好大于吸力,磁鋼脫離的一瞬間記錄下拉力的大小即可獲得覆層厚度。新型的產(chǎn)品可以自動完成這一記錄過程。磁感應(yīng)測厚法的基本原理:利用基體上的非鐵磁性涂覆層在測量磁回路中形成非鐵磁間隙,使線圈的磁感應(yīng)強度減弱;當(dāng)測量的是非鐵磁性基體上的磁性涂鍍層厚度時,則隨著涂鍍層厚度的增加,其磁感應(yīng)強度也會增加。利用磁感應(yīng)原理的測厚儀,原則上可以測量導(dǎo)磁基體上的非導(dǎo)磁覆層厚度,一般要求基材導(dǎo)磁率在500H/m以上。如果覆層材料也有磁性,則要求與基材的導(dǎo)磁率之差足夠大(如鋼上鍍鎳)。早期的產(chǎn)品采用指針式表頭,測量感應(yīng)電動勢的大小,儀器將該信號放大后來指示覆層厚度。近年來的電路設(shè)計引入穩(wěn)頻、鎖相、溫度補償?shù)刃录夹g(shù),利用磁阻來調(diào)制測量信號。還采用專利設(shè)計的集成電路,引入微機(jī),使測量精度和重現(xiàn)性有了大幅度的提高(幾乎達(dá)一個數(shù)量級)?，F(xiàn)代的磁感應(yīng)測厚儀分辨率達(dá)到0.1μm,允許誤差1%,量程10mm。磁性原理測厚儀可用來精確測量鋼鐵表面的油漆層,瓷、搪瓷防護(hù)層,塑料、橡膠覆層,包括鎳鉻在內(nèi)的各種有色金屬電鍍層以及化工石油行業(yè)的各種防腐蝕涂層。其特點是操作簡便、堅固耐用、不用電源、測量前無須校準(zhǔn)、價格較低,適合車間做現(xiàn)場質(zhì)量控制。2.4非磁性測頭的特性渦流測厚儀是根據(jù)涂鍍層與基體材料的導(dǎo)電性有足夠的差異來進(jìn)行金屬基材上涂覆層的物性膜厚來測量的。該方法實質(zhì)上也屬于電磁感應(yīng)原理,但能否采用該方法進(jìn)行厚度測定,與基體及涂鍍層材料的導(dǎo)電性有關(guān),而與其是否為磁性材料無關(guān)。其工作原理為:高頻交流信號會在測頭線圈中產(chǎn)生電磁場,當(dāng)測頭靠近導(dǎo)體時,就在其中形成渦流。測頭離導(dǎo)電基體愈近,則渦流愈大,反射阻抗也愈大。這個反饋作用量表征了測頭與導(dǎo)電基體之間距離的大小,也就是導(dǎo)電基體上非導(dǎo)電覆層厚度的大小。由于這類測頭專門測量非鐵磁金屬基材上的覆層厚度,所以通常稱之為非磁性測頭。非磁性測頭采用高頻材料做線圈鐵芯,例如鉑鎳合金或其他新材料。與磁感應(yīng)原理比較,主要區(qū)別是不同的測頭、不同的信號頻率和大小及不同的標(biāo)度關(guān)系。與磁感應(yīng)測厚儀一樣,渦流測厚儀也達(dá)到了分辨率0.1μm、允許誤差1%、量程10mm的高水平。目前已有研究表明,采用電渦流傳感器在多頻率多參數(shù)下可以實現(xiàn)鋼材表面涂鍍層厚度的在線測量。采用電渦流原理的測厚儀,主要是對導(dǎo)電體上的非導(dǎo)電體覆層厚度的測量,但當(dāng)覆層材料有一定的導(dǎo)電性時,通過校準(zhǔn)也同樣可以測量,只是要求兩者的導(dǎo)電率之比至少相差3~5倍(如銅上鍍鉻)。2.5微織構(gòu)表面活性劑磁性測厚和渦流測厚均有缺點,為此,很多廠家將兩者綜合在一起進(jìn)行測定,采用的探頭有3種:F型、N型和FN型。其中F型探頭采用磁感應(yīng)原理,可用于鋼鐵上的非磁性涂鍍層,如油漆、塑料、搪瓷、鉻和鋅等;N型探頭采用渦流原理,用于有色金屬(如銅、鋁、奧氏體不銹鋼)上的絕緣層,如陽極氧化膜、油漆和涂料等;而FN型探頭同時具有F和N型探頭的功能,利用這種兩用型探頭,可實現(xiàn)在磁性和非磁性基體上自動轉(zhuǎn)換測量。目前開發(fā)比較成熟的磁性測厚儀有時代公司的TT220,德國EPK公司開發(fā)的MINITEST4100/3100/2100/1100系列測厚儀和PHYNIX公司的Surfix/Pocket-Surfix便攜式涂鍍層測厚儀,可以方便地實現(xiàn)各種條件下的無損測厚。2.6x-射線熒光法X射線熒光測厚法原理:利用低能光子源發(fā)出的低能光子激發(fā)鍍層物質(zhì)或基底材料,根據(jù)激發(fā)出的熒光能量和強度(或基底材料熒光在鍍層中的衰減)來確定被測物質(zhì)元素及其厚度。因此,利用X射線熒光分析技術(shù)測厚,在儀器設(shè)計方面最重要的是選擇和使用低能光子激發(fā)源,探測X射線熒光的探測器以及對熒光進(jìn)行能量選擇的濾光片?？梢愿鶕?jù)待測物質(zhì)(鍍層)來選擇合適的同位素光子源,選擇的放射源的光子能量要略高于待測元素的吸收限能量,以便對待測元素有較高的激發(fā)效率,同時也可減少散射的干擾。除了能量的因素外,半衰期、活度、制備質(zhì)量對環(huán)境的影響以及價格等也是考慮的因素,如對鋅鍍層的測量,238Pu、241Am和3H/Zr等都是可使用的光子源。姜睿采用X射線熒光測厚原理制備的熱鍍鋅層測厚系統(tǒng)在寶鋼得到了實際應(yīng)用,在降低成本、提高經(jīng)濟(jì)效益上取得了明顯的效果。另外,還有一種采用X射線測量鍍層厚度方法,是目前較為通用的方法。測量原理如下:首先使凸面狀的搖臂頂端與基體金屬的表面鍍層形成相接觸的狀態(tài),然后由搖臂的軸心部位向鍍層照射X射線,通過鍍層反向散射,先測出來自基體金屬(即鍍層的里面)的反射量,再換算成鍍層厚度。2.7超聲波涂層厚度的測量超聲波測厚儀可用于測量多種材料的厚度,如鋼、鐵、塑料和玻璃等。但是,目前國內(nèi)還沒有用到,國外極少數(shù)廠家有這樣的儀器,適用多層涂鍍層厚度測量或磁性測厚和電渦流測厚方法無法測量的場合,如德國EPK公司生產(chǎn)的QuintSonic型超聲波測厚儀及美國DeFelsko公司生產(chǎn)的PosiTector100/200型超聲波涂層測厚儀,對木材、塑料、玻璃、混凝土、陶瓷及金屬的油漆、瓷釉和其他絕緣金屬涂鍍層厚度都可進(jìn)行測量。其最大的特點是,只需一次測量即可測定多層涂層的總厚度及指定的各層厚度,且精度可達(dá)到(2μm±3%)。2.8幾何量測量類測量光電法是光學(xué)法中應(yīng)用較好的一種,它以光電器件為傳感元件進(jìn)行光電轉(zhuǎn)變,通過對電信號的處理來實現(xiàn)厚度測量。采用該方法還可檢測出長、寬、直徑、表面粗糙度、角度等其他多種幾何量。測量對象也較廣,并不局限于金屬或非金屬,而且測量精度高、性能穩(wěn)定,可實現(xiàn)非接觸測量等,因而在幾何量測量領(lǐng)域使用較多。該方法的缺點是儀器對環(huán)境、振動、溫濕度等較為敏感。激光作為一種新型光源,與其他光源相比具有單色性好、方向性強、光亮度高的優(yōu)點,目前光學(xué)法測厚常用的光源一般采用激光。趙世強對CCD(ChargeCoupledDevices,電荷耦合器)光電式測厚儀進(jìn)行系統(tǒng)研究指出,采用CCD為光電轉(zhuǎn)換元件實現(xiàn)對厚度的非接觸測量是可行的。除了上述幾種涂鍍層厚度測量方法外,還有一些常用的厚度測試方法,如德國BYK3410破壞式測厚儀,采用帶一定斜度硬質(zhì)合金刀頭對基材上涂鍍層進(jìn)行劃痕處理,可測定塑料、木材、水泥、軟金屬基材上的涂層厚度(2~2000μm之間的涂鍍層)。另外,目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)采用放射測厚原理的測厚儀,但是價格非常昂貴(人民幣10萬以上),適用于一些特殊場合。3試驗檢測儀器和測厚儀器目前,各種檢測的涂鍍層厚度方法已在工業(yè)生產(chǎn)方面得到了實際應(yīng)用,產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。但是,對涂鍍層厚度各種檢測方法及儀器的研究還需在以下幾個方面繼續(xù)努力