库仑法测厚原理

仑法测厚原理及库仑法测厚仪

1 意义

为了保证各种机械产品的质量、在全国各个工业部门都广泛采用表面处理工艺，特别是近年来、我国汽车、电子产品的生产量日益增长，覆层厚度检测是对表面处理工艺质量的保证。

覆层又称覆盖层，在航天航空、汽车摩托车行业，钕-铁-硼行业、电子电器行业、日用五金行业、船舶制造行业、自行车行业、紧固件行业、家具、玩具行业等，覆层的应用都非常广泛。

根据覆层制作工艺的不同、覆层可分为电镀层、化学镀层、热浸镀层、热喷涂层、真空蒸镀层、离子镀层、渗层、化学转化膜、油漆层、化学搪瓷层、热层覆层板等。

在各种工业制品中，广泛采用表面处理工艺进行镀(或涂覆)一层或多层的方法进行材料保护。其任务是：

a、防止机械制品在生产和使用过程中由于大气引起的腐蚀、提高某些金属材料抗强介质(酸、碱、腐蚀性气体等)的腐蚀性，以及提高高温和高速气流中的抗热腐蚀性及抗冲刷性等；

b、改善机械制品工作表面的摩擦性能；

c、提高某些制品的特定性能，如抗电磁波干扰、防射线、辐射、提高光反射率和改善焊接性能等；

d、对制品进行装饰、可增加其美观。

影响覆层质量的因素有覆层的厚度、孔隙率，以及覆层和基体的结合力等。覆层厚度是覆层质量一项非常重要的指示，如果覆层厚度太薄，则将达不到预期的技术要求，太厚又将浪费材料，将会大大增加生产成本，降低经济效益。

2 层厚度的测量方法

根据测头和被测工件表面是否接触，可将覆层厚度测量分为接触测量和不接触测量。

接触测量是测头和被测工件表面直接触的测量，并有机械作用力存在，通常成制品和半成品的覆层厚度测量大多采用接触测量。

不接触测量是测头和被测工件表面不发生接触的测量，而且没有机械作用力存在，如x射线荧光，B射线法等就多用于生产中的不接触测量。

从对被测覆层是否进行破坏看，覆层厚度可分为有损测量和无损测量，或称破坏性测量和非破坏性测量。

有损测量分阳极溶解库仑法、光学法(包括覆层断面显微镜测量、干涉法光学装置测量、偏振光学法装置测量、扫描电镜测量)、化学溶解法(包括点滴法、液流

法、称重法)。

无损测量分为磁法、涡流法、射线法、光学法(包括光切法、光电法、双光束干涉法等)、电容法、微波法、超声法。

以上所述、阳极溶解库仑法和x射线荧光法应用最为普遍，其它方法则视具体条件和要求而加以选用。下面将重点介绍阳极溶解库仑法。

3 库仑法测厚原理

库仑法测厚是对被测部分的金属镀层进行局部阳极溶解通过阳极溶解镀层达到材料基体时的电位变化来进行镀层厚度的测量。

库仑法测厚，将被测金属镀层作为阳极，并置于电解液中进行电解，所溶解的金属量与通过的电流和溶解时间的乘积成比例，既与消耗的电量成比例。

在库仑法测厚中、通常选用电解液的电流效率η接近于100%。

在η=100%的情况下、若阳极溶解镀层的面积保持一定，则被测量镀层厚度可按下式计算，

d=XQ

式中：Q-溶解被测镀层厚度d所消耗的电量，Q=It(c)

X-给定金属镀层、电解液和电解池情况下的常数。

X在电流效率η=100%的情况下、根据阳极溶解面积、电化摩尔质量和镀层金属密度进行计算，也可按已知厚度的镀层进行测量来确定。通常按这种方式制作的测厚仪称作电量计式电解测厚仪。

如果阳极溶解被测镀层面积和电流都保持一定值，则被测量镀层厚度可按下式计算：

d=Vt

式中：t–阳极溶解被测镀层厚度D所经过的时间

V-给定金属镀层、电解液、电解池和电流情况下的阳极溶解速度。按这种方式制作的测厚仪称作计时式电解测厚仪或库仑测厚仪。在国内30年来一直都在生产计时式电解测厚仪。

4 库仑测厚仪在国内的发展

库仑测厚仪是武汉材保所从上世纪70年代中期开始，从日本引进并在两年内消化，在材保所第一代工程师，宋植堤同志的努力下、于1978年终于研制出库仑测厚仪，但由于当时的历史背景只能用分离电子元器件制作，仪器主要技术指标都能达到要求、是国内第一个完全用自己的知识产权、自己制造该仪器。

随着国际电子产品和电子元器件的不但更新，及电镀技术不断提高、电子元器件以走向了集成电路化，国外的库仑测厚仪以从测量单金属镀种发展成、智能型能测量多层镍、合金镀层等高技术要求的库仑测厚仪，分离元件制作的库仑测厚仪达不到这个要求。于是武汉材保所在80年代中期电气仪表室组织了公关，在原有的基础上，自主研制智能型电解测厚仪、经过两年多努力、终于研制出ZD-B

智能电解测厚仪，并通过部级技术鉴定(原机械工业部)，该仪器经国家经委批准为国家级新产品。根据中华人民共和国计量和计量法实施细则的有关规定，于90年代初经湖北省计量局(现在的技术监督局)对ZD-B智能电解测厚仪进行计量器具新产品实验、实验结果表明机符合定型计量器具的技术指标、获得计量器具检验合格证书和生产许可证。

随着时代的发展，电脑不断的普及，也随全国各地的使用厂家提出新的镀种要求，如：电镀铟、锆、钛、化学镀镊等，我们于2001年研制的ZD-B新型计算机测厚系统，这是当时世上唯一能与通用电脑配接使用的测厚仪。它的问世解决了单金属镀种、合金镀种、多层镍、线材、等许多技术难点，可以由电脑操纵测量的全过程，仪器可靠性大为提高。可以自动记录测量过程中电解电位等全部数据，并以曲线图形显示在PC机的屏幕上。所有数据可以保存在计算机的硬盘上作为档案资料。通过测量曲线分析、可以知道是否有合金层。

2004年、我们又通过改进电源的稳定性和线路板的结构及改变焊接和装配工艺、提高了仪器的稳定性和可靠性，增强了安全性。

库仑测厚仪从引进、消化、到自己研制完全自主知识产权，达到国内领先水平、能于德国、美国、日本的产品媲美，许多技术指导优于国外、是我们材保人、历经三代人三十年努力，为我国在该行作出了贡献。