новая папка 1 / 773639

УДК 621.793(07)

ББК 34.663я7

О-62

Печатаются по решению методической комиссии инженерного химико-технологического института

Рецензенты: проф. В. Г. Никитин доц. О. И. Белобородова

Составители: Д. И. Хамидуллин Н. С. Хайруллина А. Р. Хайруллин А. С. Куражов

Определение толщины и пористости металлических покрытий :

О-62 методические указания / сост.: Д. И. Хамидуллин [и др.]; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2018. – 28 с.

Изложены общие сведения о методах определения пористости и толщины металлических покрытий. Рассмотрены химические и физические методы определения толщины покрытий, виды пор, причины возникновения и способы их определения, приводятся лабораторные работы для закрепления тем.

Предназначены для бакалавров направления подготовки 22.03.01 «Материаловедение и технология материалов», изучающих дисциплины «Методы исследования материалов и процессов», «Физикохимия материалов и покрытий», и магистрантов направления подготовки 22.04.01 «Материаловедение и технология материалов», изучающих дисциплину «Материаловедение и технологии современных и перспективных материалов».

Подготовлены на кафедре технологии твердых химических веществ.

УДК 621.793(07) ББК 34.663я7

2

ВВЕДЕНИЕ

Нанесение покрытий позволяет решить две технологические задачи. Первая состоит в направленном изменении физико-химических свойств исходных поверхностей изделий, обеспечивающих заданные условия эксплуатации, вторая – в восстановлении свойств поверхностей изделий, нарушенных условиями эксплуатации, включая потерю размеров и массы. Различают следующие методы нанесения защитных металлических покрытий: гальванический диффузионный, распыление (металлизация), погружение в расплавленный металл (горячий метод) и механотермический (плакирование). Покрытия из никеля и его сплавов отличаются высокими прочностью, пластичностью и коррозионной стойкостью, поэтому широко востребованы в современном машиностроении, в том числе и для изделий оборонного назначения. Коррозионные свойства никеля высоки благодаря образованию на его поверхности тонкой и плотной защитной пленки. Никель весьма стоек в атмосфере, пресной и морской воде, растворах многих солей, щелочах. Сухие газы – галогены, оксиды азота, сернистый газ и аммиак – при комнатной температуре не вызывают коррозию никеля.

Наряду с химическим составом, фазовой структурой, твердостью, шероховатостью и пористостью покрытия решающую роль зачастую играет его толщина. Кроме того, толщина слоя является основным критерием при приемке покрытия или изделия в целом. Существующие методы измерения толщины покрытия постоянно совершенствуются, а область их применения расширяется.

Выбор подходящих методик и приборов зависит от многих факторов: формы и металла покрытия, основного металла, необходимой точности и длительности измерения. Решающим может быть допустимость или недопустимость разрушения покрытия или всей детали.

Пористость покрытий в значительной мере влияет на коррозионную стойкость покрытий. Существует несколько методов определения пористости покрытий, в основном они направлены на выявлении пор путем обработки испытуемого образца специальным раствором, который, не действуя на металл покрытия, реагирует через поры с металлом основы. При этом образуются хорошо видимые продукты реакции. В результате реакции могут появляться или точки коррозии на поверхности, или пузырьки выделяющегося газа при погружении образца в раствор. По их количеству определяется степень пористости покрытий.

3

1. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ

Во многих случаях решающим признаком качества покрытия, которое должно отвечать определенным техническим и экономическим требованиям, является его толщина. В связи с этим определение толщины покрытия является основой его оценки. Требования, предъявляемые к покрытиям и правила их приемки устанавливаются ГОСТ

30002-70.

За последние годы техника измерения толщины покрытий значительно усовершенствовалась. Проблемы измерения, вытекающие из наличия множества комбинаций покрытий и основ, не могут быть решены одним способом и соответственно одним прибором; в различных случаях необходимо выбирать для измерения наиболее подходящую в данном случае методику и прибор. Выбор будет зависеть от многих факторов: рода и формы покрытия и основного металла, желаемой точности и длительности измерения. Решающим может оказаться допустимость или не допустимость разрушения покрытия или всей детали.

При контроле толщины покрытия следует учитывать, что даже на плоских изделиях толщина слоя металла неодинакова в различных точках, еще большие отклонения толщины слоя на профилированных изделиях. Отсюда вытекает необходимость определения не только средней толщины покрытия, но и минимальной толщины на определенных участках изделия. Особенно это важно для серийных малогабаритных изделий используемых в инициирующих, замедлительных, детонирующих узлах боеприпасов. Используемые металлические детали зачастую имеют габаритные размеры 1-7 мм с толщиной стенки 0,07-0,50 мм. Корпуса изделий могут иметь различные поднутрения, выступы и разрезы.

1.1. Методы измерения толщины слоя с разрушением изделия

Методы контроля толщины покрытия с разрушением изделия делятся на химические, вызывающие разрушение только покрытия, и физические, при использовании которых нарушается целостность не только покрытия, но и самого изделия.

4

1.1.1. Химические методы

Химические методы применяются для выборочного контроля толщины наиболее часто применяемых металлопокрытий. Погрешность измерения химическими методами по сравнению с другими весьма значительна и может достигать ± 30%, большая погрешность получается при контроле тонкослойных покрытий. Всем химическим методам присуща весьма низкая производительность. При их использовании возможность автоматизации процесса контроля покрытий в условиях серийного и массового изготовления деталей практически исключается.

Метод снятия

Заключается в растворении покрытия в таком растворе, который не повреждает основного металла. Растворение может быть химическим или электрохимическим, толщину покрытия определяют по разности веса изделия до и после снятия покрытия. Предварительно взвешенное изделие погружают в раствор и выдерживают в нем до полного растворения покрытия. Затем изделие тщательно промывают струей воды, высушивают и вновь взвешивают.

Метод снятия отличается относительно большой точностью и применим для покрытий разной толщины, наносимых различными способами, за исключением очень тонких вакуумных.

Кулонометрический метод

Является разновидностью метода снятия. В этом случае покрытие снимается с подложки электролитическим способом при анодной поляризации, и количество металла в покрытии определяется по количеству электричества, необходимого для его снятия. Признаком окончания процесса снятия покрытия может служить скачок потенциала испытуемого электрода. Этим методом можно измерять как однослойные, так и многослойные покрытия, на металлических и неметаллических деталях (от 0,1 до 100 мкм). Метод позволяет определить толщину покрытия с точностью ±10%. Электролиты для кулонометрического метода должны обеспечивать анодное растворение металлопокрытия со 100%-ным выходом по току в широком диапазоне анодных плотностей. В основу кулонометрического метода положен закон Фа-

5

радея, в соответствии с которым толщина покрытия прямо пропорциональна времени, необходимому для стравливания этого покрытия.

Струйный метод

Так же, как и капельный, предназначен для определения местной толщины покрытия на поверхностях, площадь которых не менее 0,3 см2. Толщина покрытия струйным методом определяется по продолжительности действия раствора, подаваемого с определенной скоростью на поверхность контролируемой детали.

Существует два варианта струйного метода:

-струйно-периодический, когда расчет толщины покрытия производят по времени, затраченному на растворение покрытия;

-струйно-объемный, при котором толщина рассчитывается по объему раствора, израсходованного на растворение покрытия.

Струйный метод предназначен для быстрого измерения местной толщины одно- и многослойных металлических покрытий, на плоских

ицилиндрических поверхностях с площадью не менее 0,3 см2. При этом профиль детали не должен препятствовать стеканию раствора.

Рис. 1. Принципиальная схема определения толщины покрытия струйным методом:

1 – деталь; 2 – капиллярная трубка; 3 – резиновая трубка; 4 – кран; 5 – капельная воронка; 6, 8 – стеклянные трубки; 7 – платиновая проволока; 9 – пробка; 10 – термометр

6

Струйный метод пригоден для измерения местной плотности материала покрытия, в частности защитных слоев из бронзы, кадмия, меди, никеля, латуни, серебра, олова и цинка, гальванически осажденных на различные металлы. Погрешность измерений составляет от 0

до ±15 %.

1.1.2.Физические методы

Кгруппе физических разрушающих методов относятся: микроскопический, метод хорды, спектральный. При использовании этих методов разрушению подвергают как покрытие, так и материал основы. Указанные методы являются лабораторными и могут быть рекомендованы только для выборочного контроля в специальных условиях.

Микроскопический метод

Основан на определении толщины покрытия на поперечном шлифе при увеличении и применим для определения местной толщины однослойных и многослойных электролитических и анодизационных покрытий главным образом как арбитражный. Этот метод заключается в измерении с помощью микроскопа толщины покрытия в поперечном срезе детали.

Погрешность ± 2 мкм , воспроизводимость ±10%.

Спектральный метод

Основан на использовании спектров покрытия, связанных прямой зависимостью с толщиной покрытия. Первоначально строят калиброванную кривую по стандартным образцам с известной толщиной

слоя покрытия в координатах S – lgH (где S разность почернения спектральных линий металлического покрытия и металлической основы, H толщина покрытия). Для получения спектра используют дуговой разряд. Сила тока в цепи между образцом и медным электродом должна быть 1 А, зазор между образцов и электродом 1 мм. Затем в этих же условиях снимают спектры исследуемых образцов, находят соответствующее значение S и определяют толщину покрытия по калибровочному графику. Почернение спектральных линий с увеличением толщины возрастет, а почернение линий основы уменьшится. При этом S увеличивается, а зависимость S – lgH характеризуется

7

большим углом наклона к оси абсцисс, что обуславливает высокую точность определения толщины покрытия.

В настоящее время спектральный метод не нашел широкого применения вследствие длительности измерения (единичное определение толщины покрытия составляет 1–2 мин), а также частичного разрушения покрытия. Этот метод используется в лабораторных условиях для выборочного контроля или для проведения специальных исследовательских работ. Относительная погрешность определения толщины покрытия составляет 6–8%.

Кулонометрический метод

Определения толщины покрытия основан на анодном растворении участка покрытия под действием стабилизированного тока и появления основного металла или металла подслоя; при этом происходит скачок потенциала, что является признаком окончания измерения.

Метод основан на определении количества электричества, необходимого для анодного растворения покрытия на ограниченном участке под действием стабилизированного тока, в соответствующем электролите. В момент полного растворения покрытия и появления основного металла или металла подслоя наблюдается резкое изменение - "скачок" потенциала, что и является признаком окончания измерения. Метод применяют для однослойных и многослойных покрытий (послойно) толщиной от 0,2 до 50 мкм. Толщину измеряют с помощью кулонометрических толщиномеров различных конструкций.

Относительная погрешность метода ±10 %.

Оптический метод

Основан на измерении уступа, образованного краем покрытия с основным металлом, способом светового сечения или растровым способом с помощью оптических микроскопов.

Уступ может быть выполнен в процессе получения покрытия изоляцией любым способом небольшого участка основного металла. Относительная погрешность метода ± 5 %.

Оптические методы рекомендуют применять в основном для измерения толщины тонкослойных покрытий, обладающих хорошими оптическими свойствами и нанесенных на хорошо подготовленные поверхности. При этом точность определения толщины покрытий во

8

многом зависит от точности установления показателя преломления света прозрачными средами.

Известен целый ряд оптических методов, пригодных для контроля толщины покрытий: поляризационный, определение толщины по окраске покрытия, интерференционный, светового сечения, теневого сечения. Однако большая часть оптических методов и приборов не получила широкого распространения для определения толщины электролитических покрытий; их используют иногда в лабораторных условиях для проведения специальных исследовательских работ.

1.2. Магнитный и электромагнитный методы

Магнитный метод основан на зависимости магнитного сопротивления от толщины покрытия, электромагнитный метод (вихревых токов) основан на изменении взаимодействия магнитного поля катушки с электромагнитным полем, наводимым этой катушкой в детали с покрытием. Толщину гальванического покрытия определяют по изменению силы отрыва магнита от оснóвного металла при наличии покрытия или по изменению магнитного потока в цепи, образованного сердечником электромагнита и металлом изделия.

1.3. Радиометрические методы

Основаны на использовании способности радиоактивных излучений вступать во взаимодействие с материалом. Эффектами, сопровождающими этот процесс и представляющими интерес для измерения толщины покрытий, являются обратное рассеяние и поглощение излучения, а также возбуждение атомов, вызывающее их собственное излучение.

Принципиальная схема измерения радиоактивным методом отражения приведена на рис. 2. 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 элек-

9

трический сигнал, пропорциональный массе покрытия на единицу площади (или толщине слоя). Измерительный контур дает отсчет сигнала, который может быть записан на приборе.

Рис 2. Принципиальная схема измерения радиоактивным методом отражения

В отечественной промышленности используется толщиномер «Бетамикрометр» с пределами измерений 0–100 мкм. Из зарубежных приборов наибольшее распространение получил «Бетаскоп».

1.4. Гравиметрический метод

Основан на определении массы покрытия взвешиванием деталей на аналитических весах до и после снятия покрытия.

Применяют для измерения толщины покрытий на основаниях с неоднородным профилем (например, стальные пластинки после дробеструйной обработки) и для покрытий на полимерных основаниях, если последние не подвержены действию лакокрасочных растворителей.

Массу покрытия измеряют путем растворения покрытия без растворения основания. Среднее значение толщины покрытия определяют делением значения массы покрытия на плотность и площадь покрытия.

Метод применяют для определения средней толщины однослойных покрытий с известной плотностью на деталях, массу которых можно определить взвешиванием на аналитических весах с классом точности не ниже 2,0. Относительная погрешность метода ±10 %

10