Определение толщины покрытий является одним из основных критериев соответствия покрытия техническим и экономическим требованиям. Выбор метода определения толщины зависит от многих факторов вида покрытия, точности измерения, допустимость разрушения покрытия или самой детали.
Так как толщина слоя покрываемого металла неодинакова в различных точках, то требуется определение не только средней толщины покрытия, но и минимальной толщины на определенных участках детали.
Методы контроля толщины покрытия детали на разрушающие и неразрушающие.
Разрушающие методы. Капельный метод основан на растворении покрытия каплями раствора, наносимыми на поверхность детали и выдерживаемыми определенный промежуток времени.
Толщину покрытия определяют по числу капель, затраченных на растворение покрытия по формуле: H = Hк (n-0,5), где Hк – толщина покрытия, снимаемого одной каплей раствора в течение заданного времени; n – число капель, израсходованных на растворение покрытия.
Данный метод применяется для измерения толщины покрытия на деталях больших размеров и определяет на среднюю, а местную толщину покрытий.
Метод прост, но дает значительную ошибку (при толщине 2 мкм и более до 30 %), так как отдельные капли неравноценно растворяют металл.
Струйный метод является разновидностью капельного метода и основан на растворении покрытия раствором, подающимся на поверхность контролируемой детали в виде струи с определенной скоростью.
Толщину покрытия рассчитывают по времени, зартаченному на растворение покрытия: H = Hт · τ, где Hт – толщина покрытия, снимаемая за 1 с, мкм; τ – время, затраченное на растворение покрытия, с.
Для определения толщины покрытия применяют электроструйный прибор (рис. 8.1.). Прибор состоит из капельной воронки 6 с краном 7. К нижнему концу воронки с помощью резиновой трубки 8 присоединяют капиллярную трубку 9, из которой раствор подается на поверхность образца 10. Капиллярную трубку калибруют таким образом, что при температуре 18-20 ˚С и постоянном давлении за 30 с из воронки вытекало (10 ± 1) мл дистиллированной воды. Постоянное давление устанавливают с помощью стеклянной трубки 4, которая вставлена через пробку 3 в горлышко воронки и имеет отверстие 2 для поступающего в воронку воздуха. Нижний конец стеклянной трубки 4 должен находиться в растворе на расстоянии (250 ÷ 5) мм от конца капиллярной трубки.
Рис. 8.1. Электроструйный прибор для определения толщины покрытия
В пробку 3 вставлены термометр 1 и трубка 4, в закрытый конец который впаяна платиновая проволока 5, связанная через источник тока с нульгальванометром, стрелка которого отклоняется при растворении покрытия и появления основного металла или подслоя.
Деталь должна быть изолирована от металлического штатива, на котором установлен прибор, и расположена на расстоянии 4-5 мм от конца капиллярной трубки.
В случае криволинейной поверхности детали угол между поверхностью и осью капилляра равен (45 ± 5)˚.
Данный метод предназначен для быстрого измерения местной толщины одно- и многослойных металлических покрытий, на плоских и цилиндрических поверхностях с площадью не менее 0,3 см3. При этом профиль детали не должен препятствовать стеканию раствора.
Кулонометрический метод основан на анодном растворении участка покрытия с калиброванной поверхностью стабилизированным током. Толщину рассчитывают по количеству электричества, необходимого для снятия металла покрытия. Признаком окончания процесса служит скачок потенциала в момент обнажения основного металла.
Для определения толщины гальванопокрытий применяют гальванометрическую установку, схема который показана на рис. 8.2.
Рис. 8.2. Схема кулонометрической установки для определения толщины гальванопокрытий:
1 – гальваническая ячейка, 2 – источник постоянного тока, 3 – миллиамперметр, 4 – вольтметр,
5 – выключатель, 6 – реверсирующий переключатель
Этим методом можно измерять толщину многослойных покрытий (от 0,1 до 100 мкм) с точностью ± 10 %.
Металлографический метод основан на определении толщины покрытия с помощью микроскопа на поперечном срезе детали.
Для измерения толщины покрытия изготовляют шлиф с поперечным размером покрытия. Плоскость покрытия должна быть перпендикулярна плоскости шлифа. Для предотвращения завалов кромок и для увеличения опорной поверхности шлифа его заливают легкоплавкими сплавами, оргстеклом, полистиролом. Далее срез должен быть отшлифован и отполирован. Обработка шлифа ведется под углом 45˚ к покрытию, а не вдоль или поперек покрытия во избежание «смазывания» металлов.
Металлографический метод применяется для измерения толщины одно- и многослойных металлических покрытий, но достаточно трудоемок и поэтому используется главным образом как арбитражный.
Неразрушающие методы. Метод прямого измерения толщины заключается в измерении размеров детали до и после покрытия с помощью микрометра, индикатора часового типа и др.
Погрешность измерения при данном методе составляет ± 10 мкм, поэтому можно измерять большие толщины покрытий.
Весовой метод основан на взвешивании деталей до и после покрытия и применяется для определения средней толщины однослойных покрытий на мелких деталях. Относительная погрешность метода ± 10 %. При измерении пользуются лабораторными аналитическими весами с погрешностью 0,001 г.
Магнитные методы основаны на принципе вихревых токов, изменении магнитного потока, изменения силы притяжения магнита.
На принципе вихревых токов работает отечественный толщинометр ИТП-1А., предназначенный для измерения толщины гальванических покрытий на стали, а также никеля и серебра на латуни. Метод основан на том, что при помещение детали в переменное электромагнитное поле, создаваемое катушкой индуктивности, в металле появляются вихревые токи. Взаимодействие поля вихревых токов с полем катушки регистрируется с помощью специальных схем и фиксируется стрелочным индикатором, по показаниям которого контролируется толщина покрытия.
Магнитный поток является функцией толщины покрытия. На методе изменения магнитного потока работает отечественный толщинометр МИП-10. Прибор позволяет определять толщину немагнитных покрытий (хром, цинк, кадмий, лакокрасочные покрытия) на ферромагнитных материалах в диапазоне от 0 до 3000 мкм. Использование переносного датчика позволяет измерять толщину покрытия в труднодоступных местах.
На методе изменения силы притяжения магнита к ферромагнитной основе в зависимости от толщины немагнитного слоя основана работа прибора ИТП-5, предназначенного для определения толщины немагнитных покрытий (хром, цинк, медь, кадмий), нанесенных на стальные детали с диапазоном измерения 0-50 мкм.
Для определения толщины покрытия в зависимости от силы притяжения магнита используются номограммы для перевода показаний шкалы измерителя.
При использовании магнитных методов измерения толщины гальванических покрытий между толщиной покрытия и изменением магнитной характеристики нет прямой зависимости и точность определения зависит от точности изготовления эталонных образцов.
Радиометрический метод основан на измерении обратного (отраженного) β-излучения. Приборы, работающие на радиометрическом методе, являются наиболее универсальными. Они позволяют определять малые толщины покрытий на деталях любой формы и конфигурации, но при этом необходимо соблюдать требование, чтобы атомный номер металла покрытия отличался от атомного номера металла основы не менее чем на 2. В отечественной промышленности используется толщинометр «Бетамикрометр» с пределами измерений 0-100 мкм. В качестве излучателя используется изотоп стронция 90Sr. Из зарубежных приборов наибольшее распространение получил «Бетаскоп».