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測量涂層厚度的7種方法
發布:s0208_2016   時間:2017/4/26 10:27:25   閱讀:13754 
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測量方法以及測量儀器的合理選取通常取決于待測量涂層的厚度范圍、基體材料的形狀和類型、測量成本以及測量結果的精確性等因素。
 
 
圖片來源:DeFelsko Corporation
 
涂層厚度測量的重要性

涂層厚度是一個重要的工藝參數,在產品質量,過程控制和成本控制中都發揮著重要的作用。
 
涂層厚度測量方法的選擇
現在,技術人員可以利用許多不同的儀器來測量這些涂層或薄膜的厚度,而在選取最合適的測量方法時需要考慮到許多因素,包括涂層的類型、基體材料、涂層厚度范圍、測試件的形狀和尺寸以及測量成本等。
 
涂層厚度測量技術簡介
涂層厚度測量技術一般有無損測量法,例如磁性測量、渦流測量、超聲波測量以及千分尺測量等;此外還有破壞性的測量法,例如橫斷面測量法和重量分析法等。對于粉末和液體狀涂料,在其干燥固化前同樣可以采取一些有效方法對其薄膜厚度進行測量。
 
磁性測厚計
1.適用范圍
磁性測厚計是一種無損測量法,通常用于測量鐵基底板上非磁性涂層的厚度。鋼和鐵上大多數涂層都是以這種方式測量的。
 
2.操作原理
磁性測厚儀大多使用的都是兩種操作原理中的一種:磁性拉伸或磁/電磁感應原理。
 
(1).磁性拉伸式測厚儀
磁性拉伸式測厚儀用到的主要是一個永久磁鐵、校準彈簧以及一把刻度尺。磁鐵與磁性鋼基體之間的吸引力會把這兩者拉在一起,隨著分離兩者的涂層厚度增加,磁鐵變得更加容易拉出。

因此,涂層厚度主要就是根據這種拉拔力來測量確定。較薄的涂層一般具有更大的磁引力,而較厚的薄膜涂層則具有相對較小的磁引力。磁性拉伸式測厚儀對于測量樣品的表面粗糙度、曲率、基底厚度以及金屬合金的組成成分非常敏感。

磁性拉伸式測厚儀堅固耐用、簡單、便宜并且便于攜帶,通常不需要校正調整。在生產過程中如果只需要少量讀數,它們將是一種很好的低成本測量解決方案。

拉伸式測厚儀通常呈鉛筆型或回滾式表盤型。鉛筆式機型(如圖1所示)使用的是一個安裝在螺旋彈簧(垂直于涂層表面)上的磁鐵。

大多數鉛筆式拉伸式測厚儀都使用較大的磁鐵,并且專門設計僅在一兩個能夠補充部分重力影響的位置工作。通過使用更加微小的,精確的磁鐵可以將其制成更精確的版本,用于測量面積較小或難以達到的表面。當該測厚儀指向下、向上或水平公差在±10%時,三重指示器可確保測量的精確性。
圖1:鉛筆型磁性拉伸式測厚儀
 
回滾式表盤型(如圖2所示)是磁性拉伸式測厚儀最常見的形式。磁鐵連接到旋轉平衡臂的一端并連接到校準的游絲上。通過用手指旋轉表盤,彈簧增加磁體上的力并將其從表面拉出。

這些測量儀易于使用,并具有平衡臂,使其能夠在任何位置上工作,與重力無關。此外,它們在爆炸性環境中使用同樣是安全的,涂料承包商在粉末涂敷操作時使用較多,測量偏差在±5%左右。
圖2:回滾式表盤型磁性拉伸式測厚儀
 
(2).磁/電磁感應測厚儀
磁感應測厚儀(如圖3所示),其使用永磁體作為磁場源,利用霍爾效應發生器或磁動電阻器來感測磁體磁極處的磁通密度。

電磁感應測厚儀使用交變磁場,采用纏繞有細線圈的柔軟鐵磁棒來產生磁場。另一根線圈則用于檢測磁通量的變化。

這些電子儀器可以有效測量磁探針表面附近的鋼表面上的磁通量密度變化。探頭表面的磁通密度的大小與鋼基板的距離直接相關。因此,通過測量磁通密度,就可以確定涂層厚度。
 
圖3:磁/電磁感應測厚儀
 
這類電子式電磁計具有許多的形狀和尺寸,它們通常使用恒壓探頭來提供不受操作者主觀影響的數據,測量讀數會清晰的顯示在液晶顯示器(LCD)上。它們可以選擇存儲測量結果或者對讀數進行即時分析,并將結果輸出到打印機或計算機上進行下一步檢查。該類儀器的測量偏差一般為±1%左右。

為了獲得更加準確的測量結果,操作人員應當仔細遵循制造商的使用說明。測試方法可參考D7091,ISO 2178以及ISO 2808等國際標準。
 
渦流測厚儀
渦流測厚儀一般用于測量位于非鐵金屬基板上的絕緣涂層的厚度,該方法同樣屬于一種無損測量法。

該儀器使用能夠傳導高頻交流(1MHz以上)的細線線圈在儀器探針的表面產生交變磁場。當探針靠近導電表面時,交變磁場將在該表面上形成渦流。基體材料的特性以及探頭和基體的距離(也即是涂層厚度)會影響渦流的大小。

該渦流又會產生一種相對電磁場,該電磁場可由勵磁線圈或另一個相鄰的線圈感測出來。

渦流測厚儀外觀以及操作均類似于電磁感應測厚儀。這類儀器幾乎能夠測量所有非鐵金屬上的涂層厚度。

與電磁感應測厚儀一樣,其通常使用恒壓探頭并在LCD屏幕上顯示測量結果。此外,它們還可以選擇存儲測量結果或者對讀數進行即時分析并輸出到打印機或計算機進行下一步檢查。

測量偏差一般為±1%左右。測試對表面粗糙度、曲率、基底厚度,金屬基底材料的類型以及其與邊緣的距離較為敏感。測試方法可以參考ASTM B 244,ASTM D 7091以及ISO2360等國際標準。

現在,許多測厚儀都將電磁感應原理和渦流原理結合到一個體系中。一些簡單的測量任務可以根據需求自動從一種操作原理切換到另一種原理以測量大多數金屬上的涂層厚度。這些整合體系已經受到了油漆業和粉末涂布業的廣泛認可與歡迎。
 
超聲波測厚儀
超聲波測厚儀中所使用的超聲回波脈沖技術一般用于測量非金屬基體材料(例如塑料、木材等)表面上的涂層厚度,而且,該方法屬于一種無損測量方法,不會對測量樣品造成損壞。
圖4:能夠測量非金屬基體材料表面上涂層厚度的超聲波測厚儀
 
該儀器的探頭包含一個超聲波換能器,能夠發出脈沖并通過涂層。脈沖然后從基體材料反射回換能器并轉換為高頻電信號。通過對回波波形進行數字化分析,人們可以有效確定涂層的厚度。在某些情況下,利用該儀器還可以測量多層系統中的某一單層厚度。

該方法的測量標準偏差一般在±3%左右,測量方法可以參考ASTM D6132國際標準。
 
千分尺測厚計
人們有時還會用千分尺來測量涂層的厚度。它們具有測量任何涂層/基體組合的優點,但缺點是需要接觸到裸露的基底面。

接觸涂層的上表面和基底的下表面有時是非常困難的,并且它們通常不足以非常準確、靈敏的測量出某些薄涂層的厚度。因此,利用該方法必須進行兩次測量,一次是在含有涂層的表面上進行測量,另一次則是在沒有涂層的表面上進行測量。這兩個度數的差值,也即是測量的高度差,就是該涂層的厚度大小。在一些粗糙表面上,該方法一般在最高處測量涂層的厚度。

破壞性測量
方法:
破壞性測量方法包括許多,其中的一種就是在橫截面上切割涂層部分,并通過顯微鏡觀察切割處來測量膜厚度。

另一種橫截面技術則是使用比例顯微鏡觀察干膜涂層的幾何切口來推斷涂層厚度大小。人們可以使用一種特殊的切割工具,通過涂層和基體材料切割出一個微型、精確的V型槽。
 
局限性:
雖然這種破壞性測量方法的原理通俗易懂,但是其很容易出現較大的測量誤差。此外,該方法需要操作人員具有較高的技術水平來準備測量樣品。

將測量形狀調整為鋸齒狀或不明顯的界面都可能會導致測量結果不準確,而且不同的操作員之間也具有較大的主觀誤差。
 
應用:
當需要采取的無損測量方法成本較高時,或者確定需要采用破壞性測量方法時,可以考慮采用這種方法。

ASTM D 4138國際標準里介紹了該測量系統的一些使用須知,有需要的可以借鑒參考。
 
重量分析測厚儀
通過測量涂層的質量和面積,就可以確定其厚度。最簡單的方法就是在施加涂層前后稱量零件。一旦確定了質量和面積,就可以使用以下公式計算厚度:
T = (m x 10) / (A x d)

其中T代表厚度,單位為μm;m代表涂層的重量,單位為mg;A代表測量區域的面積,單位為g/cm2;d代表密度值,單位為g/cm3。
 
局限性:
當基體材料表面粗糙或涂層不均勻時,該方法則難以將涂層的質量與厚度關聯起來。

適用范圍:
一般只有實驗室才會采用這種耗時持久且屬于破壞性測量的方法。
 
固化前的厚度測量
濕膜厚度(WFT)在實際應用中具有很大的參考性和指導意義。

濕膜厚度與干膜厚度的關系如下:濕膜厚度=所需的干膜厚度/涂料固體成分的體積百分比。因此,濕膜厚度測量儀器有助于確定需應用多少濕潤材料以得到指定的干膜厚度,當然,前提是固含量的體積百分數已知。
 
適用范圍:
這種濕膜厚度測量儀器能夠測量所有類型的濕有機涂層,例如油漆,清漆以及涂敷在平坦或彎曲光滑表面上的漆類涂料等。
 
優點:
在涂膜過程中測量濕膜厚度可以確定是否需要立即通過涂敷器對該涂層進行校正和調整。在干燥或化學固化后再對其進行校正一般需要消耗昂貴的額外勞動時間,還有可能會導致膜的污染,甚至可能引起涂層附著力和涂層體系完整性的問題。
 
濕膜厚度的確定:
用于確定濕膜厚度(WFT)的方程式(分為是否添加稀釋劑兩種情況)如下:
不加稀釋劑:
WFT=(想要的干膜厚度)/(固含量的體積百分數%);
添加稀釋劑:
WFT=(想要的干膜厚度/固含量的體積百分數%)/(100%+添加的稀釋劑百分含量%);
 
常用測量儀器:
濕膜厚度測量最常用儀器是濕膜輪規和濕膜齒規(梳齒儀)。
 
(1)濕膜齒規:
濕膜齒規就是一個扁平的鋁,塑料或不銹鋼板,其每個面的邊緣都有校準的凹口。在涂料被涂布后立即將齒規表面正確、牢固地放置在要測量的表面上,然后除去。濕膜厚度就是最高涂層缺口和未涂覆缺口之間的高度。

這種測量方法一般不太準確也不靈敏,因此它們主要是用于確定一些形狀、尺寸較為怪異,難以利用其它更加精確的方法進行測量的物品上涂層的大致濕膜厚度(具體參考ASTM D1212國際標準)。

該測量儀應在光滑表面上使用,而且是沿著曲面的長度而不是寬度方向上使用。在快速干燥涂層上使用濕膜厚度測量儀將有可能產生不準確的測量結果。ASTM D4414標準里介紹了利用該種儀器測量濕膜厚度的標準方法。
 
(2)濕膜輪規
濕膜輪規主要由三個圓輪組成。中心的圓輪直徑較小,其圓心與外側的兩個圓輪的圓心不同。

沿濕膜滾動濕膜輪,中心輪濕潤部分末端的讀數即為濕膜厚度。如果知道涂層的干、濕比率,便可通過濕膜厚度計算干膜厚度。不同的測量量程從0~25μm(0~1mils)至0~3000μm(0~40mils)。連續刻度,測量精確度為±5%,適用于平面和曲面測量。

該測量儀器便于攜帶、操作簡單,非技術人員也可適用,結構堅固,讀數清晰,測量可在任何表面上進行,適用于玻璃、木材以及金屬等基體材料,而且價格相對較為便宜。

但這種測量方法只適合作為參考,因為固化膜在流動后可能會發生變化,由測量儀器留下的一些痕跡也可能會影響到最后固化薄膜的性能。

除了上述方法,超聲波裝置也可以在非金屬表面未固化粉末上非破壞性地(無損式)使用,以預測固化膜的厚度。超聲波探頭位于離被測表面很短的距離處,并在設備的液晶顯示屏上顯示讀數。測量不確定度為±5mm左右。
 
涂層厚度標準

 
涂層厚度計一般都需要按照已知的厚度標準進行校準。厚度測量的標準相關資源有很多,但最好確保它們歸屬于一些大型國家計量研究院,例如國家標準與技術研究院等國家測量機構。

同樣重要的是,還需要根據這些標準進行定期檢查以驗證儀器是否正常運行。當測量讀數不符合儀表的精度規格時,儀表必須進行調整或修理,然后重新進行校準。

總結
涂層厚度對于整體零部件的成本和質量有很大的影響,因此,涂層厚度的測量應該是所有涂布機應該進行的常規測量之一。測量方法以及測量儀器的合理選取通常取決于待測量涂層的厚度范圍、基體材料的形狀和類型、測量成本以及測量結果的精確性等因素。
 
譯者:Vince
譯自:corrosionpedia
 
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