侖法測厚原理及庫侖法測厚儀

1 意義

為了保證各種機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量、在全國各個工業(yè)部門都廣泛采用表面處理工藝，特別是近年來、我國汽車、電子產(chǎn)品的生產(chǎn)量日益增長，覆層厚度檢測是對表面處理工藝質(zhì)量的保證。

覆層又稱覆蓋層，在航天航空、汽車摩托車行業(yè)，釹-鐵-硼行業(yè)、電子電器行業(yè)、日用五金行業(yè)、船舶制造行業(yè)、自行車行業(yè)、緊固件行業(yè)、家具、玩具行業(yè)等，覆層的應(yīng)用都非常廣泛。

根據(jù)覆層制作工藝的不同、覆層可分為電鍍層、化學(xué)鍍層、熱浸鍍層、熱噴涂層、真空蒸鍍層、離子鍍層、滲層、化學(xué)轉(zhuǎn)化膜、油漆層、化學(xué)搪瓷層、熱層覆層板等。

在各種工業(yè)制品中，廣泛采用表面處理工藝進(jìn)行鍍（或涂覆）一層或多層的方法進(jìn)行材料保護(hù)。其任務(wù)是：

a、防止機(jī)械制品在生產(chǎn)和使用過程中由于大氣引起的腐蝕、提高某些金屬材料抗強(qiáng)介質(zhì)（酸、堿、腐蝕性氣體等）的腐蝕性，以及提高高溫和高速氣流中的抗熱腐蝕性及抗沖刷性等；

b、改善機(jī)械制品工作表面的摩擦性能；

c、提高某些制品的特定性能，如抗電磁波干擾、防射線、輻射、提高光反射率和改善焊接性能等；

d、對制品進(jìn)行裝飾、可增加其美觀。

影響覆層質(zhì)量的因素有覆層的厚度、孔隙率，以及覆層和基體的結(jié)合力等。覆層厚度是覆層質(zhì)量一項(xiàng)非常重要的指示，如果覆層厚度太薄，則將達(dá)不到預(yù)期的技術(shù)要求，太厚又將浪費(fèi)材料，將會大大增加生產(chǎn)成本，降低經(jīng)濟(jì)效益。

2 層厚度的測量方法

根據(jù)測頭和被測工件表面是否接觸，可將覆層厚度測量分為接觸測量和不接觸測量。

接觸測量是測頭和被測工件表面直接觸的測量，并有機(jī)械作用力存在，通常成制品和半成品的覆層厚度測量大多采用接觸測量。

不接觸測量是測頭和被測工件表面不發(fā)生接觸的測量，而且沒有機(jī)械作用力存在，如x射線熒光，B射線法等就多用于生產(chǎn)中的不接觸測量。

從對被測覆層是否進(jìn)行破壞看，覆層厚度可分為有損測量和無損測量，或稱破壞性測量和非破壞性測量。

有損測量分陽極溶解庫侖法、光學(xué)法（包括覆層斷面顯微鏡測量、干涉法光學(xué)裝置測量、偏振光學(xué)法裝置測量、掃描電鏡測量）、化學(xué)溶解法（包括點(diǎn)滴法、液流法、稱重法）。

無損測量分為磁法、渦流法、射線法、光學(xué)法（包括光切法、光電法、雙光束干涉法等）、電容法、微波法、超聲法。

以上所述、陽極溶解庫侖法和x射線熒光法應(yīng)用zui為普遍，其它方法則視具體條件和要求而加以選用。下面將重點(diǎn)介紹陽極溶解庫侖法。

3 庫侖法測厚原理

庫侖法測厚是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)到材料基體時的電位變化來進(jìn)行鍍層厚度的測量。

庫侖法測厚，將被測金屬鍍層作為陽極，并置于電解液中進(jìn)行電解，所溶解的金屬量與通過的電流和溶解時間的乘積成比例，既與消耗的電量成比例。

在庫侖法測厚中、通常選用電解液的電流效率η接近于。

在η=的情況下、若陽極溶解鍍層的面積保持一定，則被測量鍍層厚度可按下式計(jì)算，

d=XQ

式中：Q-溶解被測鍍層厚度d所消耗的電量，Q=It（c）

X-給定金屬鍍層、電解液和電解池情況下的常數(shù)。

X在電流效率η=的情況下、根據(jù)陽極溶解面積、電化摩爾質(zhì)量和鍍層金屬密度進(jìn)行計(jì)算，也可按已知厚度的鍍層進(jìn)行測量來確定。通常按這種方式制作的測厚儀稱作電量計(jì)式電解測厚儀。

如果陽極溶解被測鍍層面積和電流都保持一定值，則被測量鍍層厚度可按下式計(jì)算：

d=Vt

式中：t–陽極溶解被測鍍層厚度D所經(jīng)過的時間

V-給定金屬鍍層、電解液、電解池和電流情況下的陽極溶解速度。

按這種方式制作的測厚儀稱作計(jì)時式電解測厚儀或庫侖測厚儀。在國內(nèi)30年來一直都在生產(chǎn)計(jì)時式電解測厚儀。

4 庫侖測厚儀在國內(nèi)的發(fā)展

庫侖測厚儀是武漢材保所從上世紀(jì)70年代中期開始，從日本引進(jìn)并在兩年內(nèi)消化，在材保所*代工程師，宋植堤同志的努力下、于1978年終于研制出庫侖測厚儀，但由于當(dāng)時的歷史背景只能用分離電子元器件制作，儀器主要技術(shù)指標(biāo)都能達(dá)到要求、是國內(nèi)*個*用自己的知識產(chǎn)權(quán)、自己制造該儀器。

隨著電子產(chǎn)品和電子元器件的不但更新，及電鍍技術(shù)不斷提高、電子元器件以走向了集成電路化，國外的庫侖測厚儀以從測量單金屬鍍種發(fā)展成、智能型能測量多層鎳、合金鍍層等高技術(shù)要求的庫侖測厚儀，分離元件制作的庫侖測厚儀達(dá)不到這個要求。于是武漢材保所在80年代中期電氣儀表室組織了公關(guān)，在原有的基礎(chǔ)上，自主研制智能型電解測厚儀、經(jīng)過兩年多努力、終于研制出ZD-B智能電解測厚儀，并通過部級技術(shù)鑒定（原機(jī)械工業(yè)部），該儀器經(jīng)國家經(jīng)委批準(zhǔn)為*新產(chǎn)品。根據(jù)中華人民共和國計(jì)量和計(jì)量法實(shí)施細(xì)則的有關(guān)規(guī)定，于90年代初經(jīng)湖北省計(jì)量局（現(xiàn)在的技術(shù)監(jiān)督局）對ZD-B智能電解測厚儀進(jìn)行計(jì)量器具新產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明機(jī)符合定型計(jì)量器具的技術(shù)指標(biāo)、獲得計(jì)量器具檢驗(yàn)合格證書和生產(chǎn)許可證。

隨著時代的發(fā)展，電腦不斷的普及，也隨全國各地的使用廠家提出新的鍍種要求，如：電鍍銦、鋯、鈦、化學(xué)鍍鑷等，我們于2001年研制的ZD-B新型計(jì)算機(jī)測厚系統(tǒng)，這是當(dāng)時世上*能與通用電腦配接使用的測厚儀。它的問世解決了單金屬鍍種、合金鍍種、多層鎳、線材、等許多技術(shù)難點(diǎn)，可以由電腦操縱測量的全過程，儀器可靠性大為提高?？梢宰詣佑涗洔y量過程中電解電位等全部數(shù)據(jù)，并以曲線圖形顯示在PC機(jī)的屏幕上。所有數(shù)據(jù)可以保存在計(jì)算機(jī)的硬盤上作為檔案資料。通過測量曲線分析、可以知道是否有合金層。

2004年、我們又通過改進(jìn)電源的穩(wěn)定性和線路板的結(jié)構(gòu)及改變焊接和裝配工藝、提高了儀器的穩(wěn)定性和可靠性，增強(qiáng)了安全性。

庫侖測厚儀從引進(jìn)、消化、到自己研制*自主知識產(chǎn)權(quán)，達(dá)到國內(nèi)水平、能于德國、美國、日本的產(chǎn)品媲美，許多技術(shù)指導(dǎo)優(yōu)于國外、是我們材保人、歷經(jīng)三代人三十年努力，為我國在該行作出了貢獻(xiàn)。