Секацкий В.С., Мерзликина Н.В. Методы и средства измерений и контроля

Подождите немного. Документ загружается.

263

так и от толщины его слоя. Зависимость эта выражается следующей

формулой:

Δ Х

(18.1)

где

ΔΧ

- толщина слоя;

- линейный коэффициент ослабления данного материала;

- начальная интенсивность излучения;

I - интенсивность излучения после прохождения им слоя данного

материала толщиной

ΔΧ

При определении толщин тонкостенных деталей применяют

радиоактивные изотопы, дающие мягкое излучение типа стронций-90, а при

определениях толщин тонкостенных деталей-изотопы, дающие излучение

типа кобальт-60. Широко используются рассматриваемый метод при

производстве автоматического контроля листового проката различной

толщины. Принудительная схема подобного толщиномера приведена на рис.

18.9.

Рис. 3

Рис. 18.9. Принципиальная схема толщиномера

1- источник излучения; 2-контролируемый лист;

3-индикатор-ионизационная камера или счетчик частиц; 4-указывающий прибор

Установка подобного типа (например, ИТУ-495) позволяют

производить автоматический контроль, листового материала толщиной

от 0,05-1мм с точностью порядка 1,5-2%. Подобный метод контроля

равномерности толщины листовых материалов используются не только для

металлов, но и для других материалов.

264

19. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ПОКРЫТИЙ

Металлический и неметаллический слой, наносимый различными

методами, обычно называют покрытием или плёнкой. Правильнее называть

наносимый слой плёнкой, т.к. покрытие – это процесс нанесения плёнки. В

соответствии с этим приборы для измерения толщин плёнок следует

называть толщиномерами плёнок (покрытий).

Основной параметр, характеризующий плёнку, - толщина. Толщина

плёнки – это расстояние по нормам между

двумя плоскопараллельными

поверхностями для идеальных плоских изделий. Для реальных плоских

изделий, поверхности которых обычно имеют отклонение от плоскостности и

параллельности, различную волнистость и шероховатость поверхности,

правильно определять толщину плёнки как среднюю толщину hср. Средняя

толщина плёнки – это среднее арифметическое расстояние между всеми

точками поверхностей плёнки и подложки. Толщина плёнки hi в

определённой

точке – расстояние между определёнными точками

поверхностей плёнки и подложки по нормам. (Подложка – основной

материал детали, на который наносят покрытие).

При этом определении толщины плёнки неоднородностью толщины

плёнки по поверхности является максимальная разность между толщиной в

i-ой точке и средней толщиной, т.е.

срi

hh −=

max, или разность между

наибольшей и наименьшей толщинами. Соответственно для цилиндрических

изделий толщину плёнки определяют как среднее между несколькими

точками цилиндрической поверхности плёнки и подложки по нормам.

Погрешность результатов измерений при однократном измерении

толщины плёнки с помощью толщиномеров плёнок оценивается пределом

допускаемой основной погрешности, которая обычно выражается в

процентах.

Толщину плёнки

в определённой точке можно измерить с помощью

тощиномеров, имеющих измерительные преобразователи с площадью

контакта менее 1мм

. Среднюю толщину плёнки можно измерять

толщиномерами, имеющими измерительные преобразователи с помощью

контакта в пределах 1 до 75мм

и более.

В соответствии с ГОСТ 3002-70 шероховатость поверхностей деталей,

предназначенных для нанесения защитного покрытия, должна быть не ниже

4-го класса, для нанесения защитно-декоративного покрытия не ниже 6-го

класса, для нанесения твёрдого и электроизоляционного анодированного

покрытия не ниже 7-го класса (по ГОСТ 2789-59).

В ГОСТ 3002-70 указаны требования по толщине, внешнему виду

прочности сцепления, пористости, защитным свойствам для 27 видов

265

покрытий (цинкового, кадмиевого, медного, никелевого, хромового,

оловянного, свинцового, серебренного и др.).

19.1. Методы и средства измерения

толщины плёнок (покрытий)

В соответствии с ГОСТ 16875-71 методы контроля толщины плёнок

(покрытий) подразделяются на физические неразрушающие, физические

разрушающие и химические.

Неразрушающие методы в свою очередь делятся на прямые и

косвенные.

В качестве толщиномеров для прямого измерения служат

универсальные приборы, применяемые для линейных измерений и контроля

шероховатости поверхности. Толщиномеры для прямого измерения

используются в

тех случаях, когда на подложке имеются места, не покрытые

пленкой. При этои толщина измеряется непосредственно по ступеньке. Без

ступеньки измерять толщину прямым методом можно только прозрачные

пленки с помощью приборов для измерения шероховатости поверхности

(ГОСТ 9847-61).

В качестве толщиномеров для косвенного измерения применяют

приборы, действие которых зависит от измерения толщины пленки

, а так же

от свойств материалов пленки и подложки.

Наибольшее распространение получили толщиномеры, основные на

магнитном, электромагнитном, индукционном, радиоактивном методах,а так

же методе вихревых токов.

Магнитные толщиномеры.

Магнитные толщиномеры применяются для измерения толщины

пленок из немагнитного материала, нанесенного на ферромагнитную

подложку.

Магнитные толщиномеры подразделяются на отрывные с постоянным

магнитом и отрывные с электромагнитом. Действие открытых толщиномеров

с постоянным магнитом основано на зависимости между силой отрыва

постоянного магнита, определяемой диаметром, и толщиной пленки.

Действие отрывных толщиномеров с электромагнитом основано

на

зависимости между силой переменного тока, протекающего через катушку

электромагнита в момент отрыва его сердечника от поверхности измеряемой

пленки, и толщиной пленки.

Магнитные толщиномеры – наиболее простые из всех толщиномеров, и

поэтому они получили широкое распространение при измерении изделий

непосредственно в цеховых условиях.

Магнитный толщиномер покрытий МТ-101 предназначен для

измерения толщины

немагнитных покрытий (хром, медь, краска, эмаль,

пластик и т.д.) на ферромагнитном основании. Прибор имеет режим "HOLD"

266

- удержание последнего измеренного значения, а также автоматическое

выключение питания через 20 минут (рис. 19.1).

Технические характеристики:

диапазон измеряемых толщин:10 - 2100 мкм;

основная погрешность: 5%;

питание:1 батарея типа "Крона'';

время непрерывной работы от одной батареи: 25 часов;

диапазон рабочих температур:0...40;

габаритные размеры (без преобразователя):120x60x25 мм.

Магнитный толщиномер покрытий МТ-401 предназначен для

измерения толщины немагнитных покрытий (хром, медь, краска, эмаль,

пластик и т.д.) на ферромагнитном основании (рис 19.2).

Толщиномер имеет графический экран, память на 2000 значений (20

страниц по 100 значений), режим статистики по каждой страницы (min, max,

среднее), измеренные значения могут передаваться в компьютер по

интерфейсу RS-232. Позволяет вводить таблицы материалов

пользователя

Технические характеристики:

диапазон измеряемых толщин:5 - 1100 мкм;

основная погрешность:3%;

питание:1 батарея типа "Крона'';

время непрерывной работы от одной батареи:25 часов;

диапазон рабочих температур:0...40;

габаритные размеры (без преобразователя):156x83x30 мм.

Индукционные толщиномеры.

Принцип действия этих приборов основан на измерении

взаимоиндукции между первичной и вторичной обмотками чувствительного

элемента измерительного преобразователя в зависимости от толщины

плёнки. Приборы предназначаются для измерения толщин немагнитной или

Рис.19.1. Магнитный

толщиномер покрытий МТ-

Рис.19.2. Магнитный

толщиномер покрытий МТ-

267

слабомагнитной плёнки на ферромагнитной подложке. Недостатком этих

приборов, применяемых для автоматизированного и неавтоматизированного

контроля, является относительно большая измерительная поверхность

измерительного преобразователя. Поэтому на показание прибора сильно

сказываются отклонения от правильной геометрической формы поверхности

подложки, а также краевой эффект.

Индуктивные толщиномеры.

Принцип действия этих приборов основан на изменении индуктивного

сопротивления катушки преобразователя зависимости от толщины плёнки.

Эти приборы предназначаются для измерения толщины немагнитной или

слабомагнитной плёнки на ферромагнитной подложке. Они также могут

применяться для автоматизированного и неавтоматизированного контроля.

На показания приборов сильно влияют изменения магнитной проницаемости

подложки и расположения измерительного преобразователя.

Индукционные

и индуктивные толщиномеры целесообразно применять

для контроля немагнитных металлических и неметаллических плёнок

(покрытий) на ферромагнитных подложках. Преимущества этих приборов

заключается в наличии переносных преобразователей, позволяющих

замерять толщину плёнки в труднодоступных местах и в отверстиях.

Токовихревые толщиномеры.

Принцип действия этих приборов основан на появлении вихревых

токов в электропроводящем материале плёнки или подложки при

переменном электромагнитном поле катушки индуктивности измерительного

преобразователя.

Токовихревые толщиномеры состоят из высококачественного

генератора, усилительных блоков и измерительного преобразователя,

создающего направленное высокочастотное электромагнитное поле.

Наиболее целесообразно применять эти приборы для измерения

толщин немагнитных металлических, слабомагнитных (никелевых

) и

неметаллических плёнок (покрытий) нанесённых на диэлектрики.

Токовихревые приборы являются переносными,

поэтому ими удобно пользоваться в цеховых

условиях.

Так как преобразователи у многих

толщиномеров выносные то ими можно измерять

толщины плёнок в труднодоступных местах и в

отверстиях.

Диапазоны измерений толщин составляют

0-20000 мкм; погрешность измерения +

(5÷10)%

недостаток этих толщиномеров состоит в

индивидуальной градуировке прибора для

определённого сочетания материалов плёнка и

подложки.

Токовихревой толщиномер покрытий ВТ-

201 (рис 19.3)предназначен для измерения

Рис.19.3. Токовихревой

толщиномер покрытий

ВТ

201

268

толщины неметаллических покрытий (краска, эмаль, пластик и т.д.) на

немагнитном основании (алюминий, медь, титан).

Прибор имеет режим "HOLD" - удержание последнего измеренного

значения. Автоматическое выключение питания через 20 минут.

Технические характеристики:

диапазон измеряемых толщин:5 - 1100 мкм;

основная погрешность:3%;

питание:1 батарея типа "Крона'';

время непрерывной работы от одной батареи:25 часов;

диапазон рабочих температур:0...40;

габаритные размеры

(без преобразователя):156x83x30 мм.

Радиоизотопные толщиномеры.

Принцип действия этих приборов основан на изменении интенсивности

обратного рассеяния ядерных излучений от толщины плёнки. В качестве

излучателя применяется мягкое бета – излучения, а приёмниками

отражённого излучения служат ионизированные газоразрядные и

сцинтиляционные счётчики.

Для обеспечения требуемой точности измерения с помощью

радиоизотопных приборов необходимо, чтобы толщина подложки была

больше толщины насыщения, а толщина

плёнки (покрытия) менбше

толшины насыщения, причём атомные номера материалов подложки и

плёнки должны отличаться друг от друга более чем на 2-4 единицы.

Преимущества радиоизотопных толщиномеров: бесконтактность

измерения, возможность измерения толщин большинства материалов на

многих подложках, а так же автоматического измерения. Диапазон

измерения приборов составляет 0-100 мкм, при этом погрешность измерения

составляет ±10%.

К недостаткам этих приборов относятся: необходимость градуировки

для каждой пары материалов (плёнки и подложки), соблюдение особых мер

предосторожности при работе с радиоактивными веществами.

19.1.1. Поверка толщиномеров

Поверка толщиномеров плёнок должна производиться по образцовым

мерам толщины плёнок, представляющим собой плоские или

цилиндрические детали на поверхности которых нанесены плёнки

определённой толщины в виде ступенек.

Толщина плёнки образцовой меры аттестуется с помощью прямых

методов измерения с погрешностью не более 1-2%.

19.1.2. Оптические методы измерения толщины плёнок

269

Эти методы в последнее время получили широкое применение при

нанесении тонких покрытий. Их можно применять при условии, что плёнка

обладает хорошими оптическими свойствами и нанесена на хорошо

подготовленную поверхность подложки при измерении толщины прозрачной

плёнки необходимо определить показатель преломления.

Оптические методы – это в основном лабораторные методы. Для

измерения толщины плёнок применяют

следующие методы:

поляризационный, метод определения толщины подсвета окраски плёнки,

интерференционный, светового сечения, теневого сечения.

Поляризационный метод заключается в том, что линейно

поляризованный свет, падающий под косым углом на поверхность детали,

покрытый плёнкой, после отражения становится оптически поляризованный.

По степени и роду поляризации можно судить о толщине измеряемого слоя.

При измерении

показателя воздуха с погрешностью 1,5-2 % погрешность

определения толщины составляет 4-5 %.

Метод определения толщины плёнки по цвету её окраски состоит в

том, что при направлении когерентных лучей на прозрачную плёнку в ней

будут наблюдаться полосы смешенной окраски, которая изменяется с

изменением толщины плёнки показателя преломления и угла падения лучей.

Толщина плёнки определяется по формуле

, (19.1)

где h - толщина плёнки в мкм;

- толщина воздушного зазора в мкм;

n - показатель преломления плёнки (по справочным данным).

С помощью микроинтерферометров для определения шероховатости

поверхности можно определить толщину прозрачной плёнки от 0,03 до 2

мкм. Интерферометр с компенсатором А.И. Карташова позволяет расширить

пределы измерения до 40 мкм. Погрешность определения толщины плёнки

составляет 10-30 %.

19.1.3. Физические разрушающие методы

измерения толщины плёнок (покрытия)

К указанным методам относятся металлографический

(микроскопический) метод и метод хорды.

Металлографический метод основан на определении толщины

покрытия на поперечном шлифе с помощью микроскопа с увеличением 20-

1000 крат. Этот метод применяется для определения толщины однослойных

многослойных электролитических и анодированных покрытий.

Для измерения толщины плёнок до 20 мкм рекомендуется

пользоваться микроскопом с увеличением

500-1000 крат, а для толщины

более 20 мкм – с увеличением 200 крат. Для измерения толщины плёнки

270

изготавливают шлиф с поперечным размером в соответствии с ГОСТ 16875-

71. Полученный шлифт обезжиривают и в случае необходимости травят

специальным раствором. Затем с помощью металлографического микроскопа

определяют толщину плёнки, произведя не менее трёх измерений по всей

длине шлифа. Среднее арифметическое значение из трёх измерений составит

толщины плёнки.

Сущность метода хорды состоит в

том что измеряемую деталь (рис.

19.4) надрезают шлифовальным кругом для появления подложки.

Затем с помощью лупы или измерительного микроскопа измеряется

ширина среза (с). Толщина покрытия h определяется по формулам:

для плоской поверхности (рис.19.4,а)

= ; (19.2)

для цилиндрической поверхности (рис. 19.4,б)

)

(

, (19.3)

где R

- радиус кривизны контролируемого участка детали;

- радиус шлифовального круга.

Для выполнения среза рекомендуется применять шлифовальные круги

зернистостью не менее 60-80, диаметром 150-200 мм, шириной 4-12,5 мм.

Метод хорды следует применять в основном для контроля толщины

плёнок многослойных покрытий. Это – метод лабораторный.

19.1.4. Химические методы измерения

толщины плёнок (покрытия)

К химическим методам определения толщин плёнок (ГОСТ 16875-71)

относят метод струи, капли и снятия слоя. Это лабораторные методы.

Сущность метода струи состоит в растворении плёнки (покрытия) раствором,

с h

)

Рис. 19.4. Метод хорды

271

вытекающем на поверхность детали в виде струи с определённой скоростью.

Толщина плёнки рассчитывается по времени, затраченному на растворение

покрытия (струйно-периодический метод) или по объёму раствора,

израсходованному на растворение покрытия (струйно-объёмный метод).

Окончание растворение плёнки устанавливают визуально с помощью

прибора, регистрирующего изменение потенциала или тока в момент

полного растворения покрытия

(электроструйный метод).

Сущность метода капли состоит в том, что на поверхность плёнки

наносят капли раствора и выдерживают в течение определённого промежутка

времени. Толщину плёнки рассчитывают по числу капель, затрачиваемых на

растворение плёнки.

Метод снятия слоя основан на растворении плёнки в растворе, который

действует на основной металл детали. Расчёт толщины плёнки

производят по

массе растворимого металла, которую определяют химическим анализом

раствора или взвешиванием детали до и после растворения плёнки.

Метод струи капли применяют для измерения местной толщины

однослойных и многослойных металлических плёнок (цинковых, кадмиевых,

медных, никелевых, хромовых, серебряных) на поверхностях, площадь

которых не менее 0,3 см

Метод капли не рекомендуется применять для плёнок толщиной более

20 мкм. Метод снятия слоя применяют для измерения средней толщины

однослойных и многослойных плёнок малогабаритных деталей.

Погрешность измерения толщины плёнок от 2 мкм и выше.

19.1.5 Весовой метод измерения толщины плёнок (покрытия)

Весовой метод определения толщины плёнки следует отнести к

неразрушающим методам. Для определения толщины плёнки измеряемую

деталь взвешивают до и после покрытия. По геометрическим размерам

определяют площадь поверхности покрытия. Толщину плёнки h

ср

в мкм

рассчитывают по формуле:

100*)(

ср

−

, (19.4)

где g

– масса детали до нанесения плёнки, гр;

– масса детали после нанесения плёнки, гр;

S – площадь поверхности, см

;

γ - плотность материала плёнки, г/см

Для определения массы применяют весы, имеющие погрешность не

более +

0,001 гр. Это – метод лабораторный, позволяющий определить

среднюю толщину плёнки с погрешностью +

10 %.

19.2. Методы определения толщины покрытий

272

19.2.1. Метод определения толщины непрозрачных покрытий

Сущность метода заключается в измерении при помощи микроскопа

горизонтальной проекции образующей усеченного конуса, полученного при

сверлении покрытий под определенным углом.

Существует несколько способов определения толщины непрозрачных

покрытий:

1.Определение толщины покрытий отчетным микроскопом МПБ-2. Для

этого в центре образца сверлят покрытие до появления лунки, затем

микроскоп устанавливают так, чтобы поле зрения

микроскопа наблюдалась

горизонтальная проекция одной стороны лунки. Затем поворотом тубуса

микроскопа устанавливают измерительную шкалу так, чтобы ось шкалы

проходила через центр лунки, а деление шкалы были параллельны

касательным к окружностям, и снимают измерение. Затем микроскоп

перемещают так, чтобы в поле зрения оказалась диаметрально

противоположная сторона лунки и повторяют измерение.

2.Определение

толщины покрытий биологическим микроскопом.

Микроскопы биологические: типа МБУ-6,укомплектованный объективом3.7

х 0.11; МБУ-4, МБУ-5, «Биологи Р 11» и другие.

Для определения толщины покрытия в образце сверлят покрытия в

образце до появления лунки, затем, затем микроскоп устанавливают так,

что в поле зрения наблюдалась горизонтальная проекция одной стороны

лунки. Винтовой окулярный микровинт устанавливают так,

чтобы одна из

визирных нитей перекрестия была расположена по касательной к одному

краю среза лунки, затем к другому и вычисляют величину горизонтальной

проекции.

19.2.2. Метод определения толщины

прозрачных лаковых покрытий

Определение толщины прозрачных лаковых покрытий двойным

микроскопом

Для этого используют микроскоп типа МИС-11 или аналогичное

оптическое устройство сущность метода заключается в измерении

расстояния между световыми полосами, отраженными в поверхности

покрытия и подложки, с помощью двойного микроскопа.

Микроскоп устанавливают на поверхности испытуемой детали, так,

чтобы световая полоса располагалась перпендикулярно волокнам древесины.

Вращением барабана окулярного микрометра горизонтальную визирную

нить

совмещать с нижней границей нижней световой полосы, затем верхней

световой полосы и вычисляют показания.

Определение толщины прозрачных лаковых покрытий на

образцах биологическим микроскопом.