» » Определение толщины покрытий
12.12.2014

Толщину цинковых покрытий можно измерять двумя основными методами: методом неразрушающих испытаний и разрушающим методом.
К неразрушающим испытаниям относятся непосредственные измерения, а также весовой, магнитный и радиоактивный методы, к разрушающим — химический, электрохимический и металлографический анализы.
Приборы для неразрушающих испытаний — быстродействующие, просты в эксплуатации, позволяют автоматизировать процесс измерений и их можно использовать для непрерывного и 100%-ного контроля.
Приборы, работающие по второму методу, хотя и уступают первым по быстродействию, но часто превосходят их в точности измерений. В случае определения толщины цинковых покрытий этим методом нарушается слой покрытия, но участки разрушения в некоторых случаях настолько малы (диаметр до 5 мм), что могут быть впоследствии восстановлены.
Неразрушающие методы контроля

Метод непосредственных измерений. Определяют линейные размеры изделий до и после нанесения цинкового покрытия. Для измерений используют универсальные приборы, например микрометр. Этим методом можно контролировать оцинкованные изделия с плоскими поверхностями или изделия, поверхности которых имеют прямолинейные образующие. Основная погрешность метода обусловлена деформацией покрытия под действием измерительного усилия прибора.
Весовой метод. При этом методе осуществляют непосредственное взвешивание.
При непосредственном взвешивании толщину покрытия определяют по разности масс изделия после и до нанесения покрытия. Увеличение массы характеризует объем покрытия. Среднюю толщину покрытия hср определяют как отношение объема нанесенного материала к поверхности покрытого изделия:
Определение толщины покрытий

где hср — средняя толщина покрытия, мкм;
P1 и P2 — масса изделия после и до цинкования соответственно, г;
S — поверхность покрываемого изделия, см2;
d — плотность металла покрытия, г/см3;
k — коэффициент, равный 10в4 при использовании указанных размерностей.
Весовой метод из-за трудностей определения поверхности покрываемого металла применяют для определения средней толщины цинкового покрытия на небольших деталях простого профиля.
Магнитный метод. Этот метод измерения толщины покрытий вообще и цинковых в частности получил в настоящее время, широкое распространение.
В основу приборов, используемых для магнитных измерений, положены следующие закономерности:
1) изменение силы притяжения между двумя ферромагнитными телами в зависимости от расстояния между ними;
2) изменение магнитного потока в зависимости от величины немагнитного зазора в магнитной цепи;
3) зависимость параметров высокочастотных катушек от положения и свойств электропроводящих тел.
Сила притяжения, магнита и величина магнитного потока являются функцией толщины покрытия.
Основные источники погрешностей приборов для магнитных измерений:
1) неровности оцинкованной поверхности;
2) форма оцинкованной поверхности;
3) краевые эффекты: при перемещении датчика по краю изделия картина магнитных и электрических полей искажается;
4) отклонение оси датчика прибора от заданного направления; в связи с этим при измерении толщины покрытия прибор следует располагать строго перпендикулярно к оцинкованному изделию.
Влияние неровностей поверхности уменьшается при уменьшении диаметра контактного наконечника (рис. 105).
Определение толщины покрытий

Эффективный немагнитный зазор (рис. 105) имеет наименьшее значение при контроле оцинкованных изделий с вогнутыми поверхностями и наибольшее — при контроле изделий с выпуклыми поверхностями.
Для измерения толщины покрытия используют специальные приборы — магнитные толщиномеры.
Схема прибора, основанного на изменении силы притяжения между намагниченным шариком и ферромагнитным основанием, приведена на рис. 106. Прибор устанавливают на оцинкованное изделие и медленно отрывают от него, при этом корпус прибора перемещается относительно штока. Когда усилие пружины превысит силу притяжения, шарик отрывается от поверхности изделия. Положение штока в момент отрыва шарика от поверхности изделия соответствует толщине покрытия. Крайнее положение штока фиксируется с помощью стопора.
Определение толщины покрытий

Имеются приборы, в которых также с помощью пружины перемещают шток (отрывают его от изделия) относительно корпуса прибора.
Отсчет показаний производится по шкале или с помощью специальной градуировочной кривой, построенной по эталонам.
На этом же принципе основаны широко применяемый в нашей стране прибор ИТП-1, а также приборы, применяемые в зарубежной практике.
В приборе, показанном на рис. 107, а, магнит жестко закреплен на конце балансира и заключен в ферромагнитный экран для уменьшения влияния внешних магнитных полей. Внутренний конец спиральной пружины жестко связан с осью балансира. Наружный конец пружины связан с поворотной шкалой.
При измерении магнит накладывают на поверхность контролируемого изделия и шкалу поворачивают. При этом пружина скручивается и сила, действующая на ось балансира, увеличивается. Когда сила пружины превысит силу притяжения, магнит отрывается от поверхности изделий. Отсчет показаний производится непосредственно по шкале прибора.
Такой прибор прост в эксплуатации и имеет более высокую точность, чем прибор с подвижным стержнем (рис. 107,б).
Точность измерения магнитными приборами уменьшается с увеличением толщины цинковых покрытий. Поэтому в случае толстых покрытий необходимо предварительно специально градуировать такие приборы.
Определение толщины покрытий

При правильной калибровке прибора и учете всех указанных факторов точность измерений составляет ±10%.
Радиоактивный метод. Метод основан на изменении отраженного от контролируемого изделия p-излучения в зависимости от толщины покрытия. Мерой интенсивности отраженного (рассеянного) излучения служит ток, возникающий в ионизационной камере.
Радиоактивный метод, будучи бесконтактным, имеет ряд преимуществ перед другими методами измерения, в частности позволяет измерять толщину цинкового покрытия на непрерывно движущемся изделии.
Метод применим, если атомные номера покрытия, и основного металла отличаются не менее чем на 2, а толщина основного металла — не менее толщины насыщения для данной энергии излучения.
Расстояние между измерительной головкой (датчиком) и поверхностью контролируемого изделия должно быть постоянным.
Так, в США применяют бесконтактные измерительные устройства для непрерывного определения массы цинкового покрытия на единицу площади движущейся оцинкованной полосы. При этом измеряют толщину цинкового покрытия перпендикулярно направлению ее движения с верхней и нижней сторон листа.
Прибор работает на отраженных электронах (β-лучах), получаемых из радиоактивных изотопов.
Принципиальная схема измерения радиоактивным методом отражения приведена на рис. 108. Электроны излучаются радиоактивным изотопом (Sr90 интенсивностью 25 мкюри). Излучатель и приемник располагают с одной и той же стороны полосы. Электроны, выходящие из излучателя 1, проходят через цинковое покрытие 2, отражаются от основного материала 3, вновь проходят через цинковое покрытие 2 и попадают далее в приемник 4. Их энергия преобразуется в электрический сигнал, пропорциональный массе покрытия на единицу площади (или толщине слоя). Измерительный контур дает отсчет сигнала, который может быть записан на приборе.
Определение толщины покрытий

Расположение измерительных устройств рассмотренного типа на верхней и нижней сторонах листа схематически показано на рис. 109. Устройства перемещаются от одной кромки оцинкованной полосы к другой обычно со скоростью 0,76 м/мин. Измеряемые значения записываются непрерывно. Расстояние между измерительной головкой приемника и поверхностью металла 1,9 см. Если изменения этого зазора колеблются в пределах, не превышающих ±0,076 см, точность измерения составляет ±3%.
Разрушающие методы контроля

Химические методы. Существует несколько методов химического определения толщины цинковых покрытий (струйный, капельный методы, метод снятия).
При струйном методе участок цинкового покрытия растворяется под действием раствора, который с определенной скоростью вытекает (в виде струи) на поверхность испытуемой детали. Толщину покрытия рассчитывают или по времени, затраченному на растворение покрытия, или по объему раствора, израсходованного на растворение покрытия.
Капельный метод заключается в растворении участка покрытия последовательно наносимыми и выдерживаемыми в течение определенного времени каплями раствора. Толщину покрытия рассчитывают по числу израсходованных капель раствора.
В последнее время при контроле толщины диффузионных цинковых покрытий струйный и капельный методы применяются мало. Капельный метод дает заниженные значения толщины покрытия, так как раствор I+KI растворяет слой чистого цинка и плохо растворяет слой железоцинкового сплава. Точность измерения струйным методом также низка и к тому же он трудоемок.
Наиболее простой и удобный способ химического определения толщины покрытий — метод снятия, позволяющий находить среднюю толщину и среднюю массу цинкового покрытия.
Толщину покрытия определяют по разности масс образца до и после снятия покрытия. Поверхность изделия перед стравливанием тщательно обезжиривают, промывают, просушивают и только после этого изделие взвешивают.
Для снятия цинкового покрытия с изделия применяют различные растворы.
Электротехническое общество (Франция) в своем техническом условии С66-400 рекомендует для стравливания цинкового покрытия водный раствор (70 г/л) серной кислоты (плотностью 1,83).
В процессе снятия покрытия раствор не должен нагреваться, так как иначе возможно частичное растворение основного металла (стали). Для этого необходимо, чтобы раствор был в достаточном количестве и сосуд, в котором идет процесс, охлаждался водой. Целесообразно во время стравливания потряхивать изделие.
Моментом окончания процесса стравливания цинкового покрытия следует считать прекращение бурного выделения пузырьков водорода: при травлении стали выделяются очень мелкие его пузырьки.
В технических условиях А91—121, также разработанных во Франции, предлагается снимать цинковое покрытие в растворе соляной кислоты (плотность 1,19) с добавкой хлорида сурьмы SbCl3:0,16 г хлорида сурьмы растворяют в 1 л соляной кислоты. Хлорид сурьмы выполняет роль ингибитора, препятствуя травлению стали в процессе снятия покрытия. Температура раствора при стравливании не должна превышать 38° С. Окончание стравливания также характеризуется прекращением бурного выделения пузырьков водорода.
По методике Всесоюзного научно-исследовательского и конструкторского института химического машиностроения рекомендуется снимать цинковое покрытие в растворе состава: 50 г/л H2SO4 (ГОСТ 4204—66); 17 г/л HCl (ГОСТ 3.118—67).
При стравливании покрытия раствор охлаждают. По окончании процесса образцы тщательно промывают, высушивают и снова взвешивают.
Среднюю толщину покрытия (hср) рассчитывают по формуле, приведенной на стр. 184.
Для установления количества железоцинкового сплава в покрытии химическим методом определяют количество железа в растворе после снятия покрытия и рассчитывают массу железа в граммах на 1 м2 покрытия и в процентах к массе покрытия.
Точность химического метода определения толщины покрытий составляет ±5%.
Химические методы часто используют для градуировки приборов, позволяющих измерять толщину покрытий без разрушения (магнитных, приборы радиоактивного определения).
Электрохимический и металлографический методы из разрушающих методов контроля в настоящее время получили широкое распространение. Эти методы дают возможность не только определять толщину цинковых покрытий, но и исследовать их строение, что особенно важно для коррозионной стойкости покрытия. Эти методы отличаются большой точностью и их часто используют как контрольные.