Pomiary grubości powłok

1. Pomiary nieniszczące

1.1 Wstęp

Zasady działania przyrządów służących do nieniszczących pomiarów grubości powłok opierają się na wykorzystaniu różnic właściwości fizykochemicznych, np. magnetycznych, elektrycznych, przewodnictwa cieplnego lub pochłaniania promieniowania jonizującego samej powłoki oraz podłoża, na którym powłoka została nałożona. Duża różnorodność wytwarzanych dziś powłok dekoracyjnych, ochronnych i technicznych przy uwzględnieniu wielu rodzajów podłoża sprawia, że pomiar ich grubości wymaga stosowania różnych metod, a więc i różnych przyrządów. Właściwości fizyczne powłoki i podłoża decydują o wyborze typu warstwomierza do pomiaru grubości powłoki.

Podstawowe metody nieniszczącego pomiaru grubości powłok są następujące:

• magnetyczna,
• elektromagnetyczna,
• prądów wirowych,
• izotopowa,
• termoelektryczna.

Pomiary mają charakter względny (porównawczy). Niezależnie od rodzaju metody i typu warstwomierza na wstępie na przedmiocie nie pokrytym powłoką wzorcuje się początek obranego zakresu pomiarowego. Następnie przy użyciu wzorca stałego (płytki z powłoką wzorcową) lub przy użyciu odpowiedniej folii wzorcowej położonej na tym samym nie pokrytym przedmiocie, wzorcuje się koniec danego zakresu pomiarowego. Po wywzorcowaniu początku i końca obranego zakresu pomiarowego można przystąpić do pomiarów grubości powłok, ale tylko na przedmiotach o wszystkich parametrach bardzo zbliżonych do parametrów płytki z powłoką wzorcową lub przedmiotu nie pokrytego, na którym poprzednio wykonane było wzorcowanie warstwomierza.

1.2 Metoda magnetyczna

Metodę magnetyczną stosuje się do pomiaru miejscowej grubości pojedynczych powłok niemagnetycznych i niklowych oraz sumarycznej grubości powłok niemagnetycznych wielowarstwowych, nałożonych na podłoże magnetyczne.

Metody magnetycznej nie należy stosować do pomiarów grubości powłok niklowych w powłokach trójwarstwowych Cu-Ni-Cr oraz dwuwarstwowych Cu-Ni, gdy nieznana jest grubość podwarstwy miedzi.

Zasada pomiaru w zależności od rozwiązań konstrukcyjnych warstwomierza może polegać na:

• pomiarze siły potrzebnej do oderwania magnesu stałego lub elektromagnesu od przedmiotu pokrytego badaną powłoką,
• pomiarze siły, z jaką poprzez powłokę przyciągany jest magnes stały przez magnetyczne podłoże,
• pomiarze zmian strumienia magnetycznego w chwili ustawienia nabiegunników warstwomierza na przedmiocie pokrytym badaną powłoką.

1.3 Metoda elektromagnetyczna

Metodę elektromagnetyczną stosuje się do pomiaru miejscowej grubości wszelkich pojedynczych powłok niemagnetycznych naniesionych na podłoże magnetyczne oraz do wyznaczania sumarycznej miejscowej grubości wszelkich niemagnetycznych powłok wielowarstwowych naniesionych na podłoże magnetyczne.

Metody elektromagnetycznej nie należy stosować do pomiarów grubości ani pojedynczych ani wielowarstwowych powłok żelaznych, niklowych, kobaltowych oraz powłok wykonanych ze stopów magnetycznych.

Zależnie od konstrukcji warstwomierza zasada pomiaru polega na:

• pomiarze napięcia indukowanego w uzwojeniu wtórnym czujnika,
• pomiarze zmian indukcyjności czujnika.

1.4 Metoda prądów wirowych

Metodę prądów wirowych stosuje się do pomiarów miejscowej grubości:

1. powłok izolacyjnych na podłożu metalowym niemagnetycznym, np. powłok tlenkowych, selenowych, fosforanowych, lakierowych, gumowych itp. wytwarzanych na aluminium, cynku, miedzi oraz stopach tych metali,
2. powłok metalowych niemagnetycznych na podłożu niemetalowym, np. miedzianych, srebrnych na tworzywach sztucznych, ceramice, szkle,
3. niemagnetycznych powłok metalowych na niemagnetycznym podłożu metalowym, np. cyny na miedzi, złota na mosiądzu.

To ostatnie zastosowanie metody prądów wirowych jest ograniczone tzw. kryterium rozróżnialności, związanym z przewodnością magnetyczną i opornością elektryczną powłoki i podłoża.

1.5 Metoda radiometryczna (β-odbiciowa)

Metodę radiometryczną stosuje się do pomiaru średniej lub miejscowej grubości powłok wykonanych z materiałów o znanym składzie chemicznym. Warunkiem koniecznym stosowania metody β-odbiciowej jest spełnienie trzech warunków:

1. grubość podłoża musi być większa od warstwy nasycenia dla danego izotopu i materiału,
2. grubość powłoki dla danego izotopu i rodzaju materiału musi być mniejsza od warstwy nasycenia,
3. minimalna różnica w liczbach atomowych Z podłoża i powłoki musi wynosić co najmniej 5.

Grubość warstwy nasycenia dla powszechnie stosowanych metali podłoża jest rzędu 30 - 80 µm, zaś tworzyw sztucznych i ceramiki 40 - 250 µm.

Pomiar grubości powłok metodą β-odbiciową opiera się na wykorzystaniu różnic intensywności odbijania promieni β przez różne materiały.

1.6 Metoda termoelektryczna

Metodę termoelektryczną stosuje się do pomiaru miejscowej grubości niklowych powłok galwanicznych, nakładanych na stal, stal z podwarstwą miedzi, na miedź, mosiądz oraz na stopy Zn-Al. Wskazania zależne są od składu kąpieli i dlatego przyrząd musi być skalowany na wzorcach pokrytych powłoką niklową, nałożoną z takiej samej kąpieli jak powłoka na badanych przedmiotach.

Zasada pomiaru polega na wykorzystaniu zjawiska powstawania termoogniwa pomiędzy niklem a metalem podłoża lub niklem a metalem podwarstwy.

Oznaczenia:

• 1 - metoda magnetyczna
• 2 - metoda elektromagnetyczna
• 3 - metoda prądów wirowych
• 4 - metoda radiometryczna
• 5 - metoda termoelektryczna
• ^x - zastosowanie ograniczone

2. Pomiary niszczące

2.1 Wstęp

Z uwagi na sposób prowadzenia badań metody niszczące pomiaru grubości powłok można podzielić na następujące grupy:

1. Metody mechaniczne
   • mikroskopowa,
   • profilometryczna.
2. Metody chemiczne
   • całkowitego rozpuszczania,
   • kroplowa,
   • strumieniowa.
3. Metoda elektrochemiczna (kulometryczna).

2.2 Metoda mikroskopowa

Metoda polega na pomiarze mikroskopowym grubości powłoki uwidocznionej na szlifie metalograficznym, prostopadłym do powierzchni badanej próbki.

Obserwacja powierzchni przekroju powłoki umożliwia wyznaczenie grubości miejscowej oraz jednocześnie sprawdzenie równomierności powłoki.

Metodę mikroskopową można stosować do pomiarów grubości powłok grubszych od 2 m, na powierzchniach zarówno płaskich jak i profilowanych. Metodą tą można mierzyć grubość powłok metalowych, tlenkowych, ceramicznych i lakierowych nałożonych na podłoże metalowe. Metoda mikroskopowa została uznana za metodę rozjemczą w badaniach grubości powłok.

2.3 Metoda profilometryczna

Pomiar grubości powłok metodą profilometryczną polega na wyznaczeniu na profilografie różnicy wysokości dwóch poziomów profilogramu, odpowiadających powierzchni podłoża i powłoki. Aby uzyskać różnicę poziomów należy usunąć powłokę z części powierzchni bez naruszenia podłoża.

Metodę tę stosuje się do pomiaru grubości powłok w zakresie od 0,1 m do 40 m. Metoda profilometryczna nadaje się specjalnie do pomiaru bardzo małych grubości. Można ją stosować tylko w przypadku powierzchni o małej chropowatości Ra poniżej 0,05 m. Ponadto wymagana jest płaskorównoległość próbek.

Metody profilometrycznej nie można stosować bezpośrednio do powłok miękkich np. ze stopu Sn-Pb. W takich przypadkach należy powierzchnię badanej próbki (po częściowym usunięciu powłoki) napylić próżniowo innym metalem twardszym np. chromem.

2.4 Metoda całkowitego rozpuszczania

Metoda wagowa (całkowitego rozpuszczania) polega na rozpuszczeniu chemicznym lub elektrochemicznym powłok bez naruszenia metalu podłoża. Z różnicy ciężarów próbki przed rozpoczęciem rozpuszczania powłoki i po jej całkowitym usunięciu, znając ciężar właściwy powłoki i jej powierzchnię, oblicza się jej grubość. Metody tej nie można stosować do badania grubości powłok stopowych. W przypadku powłok pasywowanych należy przed przystąpieniem do badania usunąć warstwę chromianową.

2.5 Metoda kroplowa

Metoda kroplowa polega na rozpuszczaniu powłoki roztworem nanoszonym po jednej kropli na to samo miejsce z każdorazowym pozostawieniem kropli na ten sam okres czasu, a następnie zdejmowaniu jej przez ścieranie kawałkiem waty lub ligniny. Czas pozostawania kropli na powierzchni badanej mierzy się sekundomierzem. Czynność tę powtarza się aż do odsłonięcia metalu podłoża.

Metodę kroplową stosuje się do badania miejscowej grubości pojedynczych oraz wielowarstwowych powłok galwanicznych na powierzchniach płaskich i profilowanych, jeżeli promień krzywizny umożliwia utrzymanie się kropli. Do powłok o grubości powyżej 20 m nie zaleca się stosowania metody kroplowej ze względu na zbyt długi czas pomiaru.

2.6 Metoda strumieniowa

Metoda strumieniowa polega na chemicznym rozpuszczaniu powłoki strumieniem roztworu o odpowiednio dobranym składzie i obliczeniu grubości miejscowej powłoki na podstawie łącznego czasu działania strumienia. Metoda wymaga prostej aparatury, składającej się z rozdzielacza połączonego z rurką szklaną zawierającą wewnątrz kapilarę, przez którą wypływa roztwór.

Metodę strumieniową stosuje się do badania miejscowej grubości pojedynczych oraz wielowarstwowych powłok galwanicznych z wyłączeniem chromowych.

2.7 Metoda kulometryczna

Metoda kulometryczna polega na anodowym rozpuszczaniu powłoki na ściśle określonej powierzchni. Metoda oparta jest na prawach Faradaya, zgodnie z którymi:

1. ilość substancji rozłożonej elektrochemicznie pod działaniem prądu jest wprost proporcjonalna do ładunku elektrycznego, jaki przepłynął przez elektrolit,
2. ilości różnych substancji wydzielonych przez jednakowy ładunek są proporcjonalne do ich równoważników chemicznych.

W praktyce oznaczanie grubości powłoki metodą kulometryczną sprowadza się do zastosowania warstwomierza kulometrycznego wyposażonego w elektrodę cieczową.

Metodą kulometryczną można mierzyć miejscową grubość większości powłok galwanicznych pojedynczych i wielowarstwowych na powierzchniach płaskich i profilowanych, o ile promień krzywizny pozwala na szczelne przystawienie uszczelki naczyńka elektrolitycznego. Powłoki pasywowane można badać po uprzednim usunięciu warstwy pasywnej.