книги / Справочник по производственному контролю в машиностроении

ГЛАВА ТРИНАДЦАТАЯ

ИЗМЕРЕНИЕ ТОЛЩИНЫ ПОКРЫТИЙ

1. ОСНОВНЫЕ п о н я т и я и о п р е д е л е н и я

Металлический и неметаллический слой, наносимый различными методами, обычно называют п о к р ы т и с* м пли пленкой. Правиль­ нее называть наносимый слой пленкой, так как покрытие — эго процесс нанесения пленки. В соответствии с этим приборы для измерения тол­ щин пленок следует называть толщиномерами пленок (покрытий).

Основной параметр, характеризующий пленку, — толщина. Тол­ щина пленки — это расстояние по нормали между двумя плоскопарал­ лельными поверхностями для идеальных плоских изделий. Для реаль­ ных плоских изделий, поверхности которых обычно имеют отклонения от плоскостности и параллельности, различную волнистость и шерохо­ ватость поверхности, правильно определять толщину пленки как сред­ нюю толщину /|Ср. Средняя толщина пленки (рис. 13.1) — это среднее арифметическое расстояние между всеми точками поверхностей пленки 1 и подложки 2. Толщина пленки hi в определенной точке — расстояние между определенными точками поверхностей пленки и подложки1 по нормали.62*

1 Подложка — основной материал детали, на который наносят покры­

тие.

2 6 К . \ \. А б а д ж и

802 Измерение толщины покрытий

При этом определении толщины пленки неоднородностью толщины пленки по поверхности является максимальная разность между толщи­ ной в i-й точке и средней толщиной, т. е. rj — | hi — hcp |max, или раз­ ность между наибольшей и наименьшей толщинами. Соответственно для цилиндрических изделий толщину пленки определяют как среднее между несколькими точками цилиндрической поверхности пленки и подложки по нормали.

Погрешность результата измерений при однократном измерении толщины пленки с помощью толщиномеров пленок оценивается преде­ лом допускаемой основной погрешности, которая обычно выражается в процентах.

Толщину пленки в определенной точке можно измерять с помощью толщиномеров, имеющих измерительные преобразователи с площадью контакта менее 1 мм2. Среднюю толщину пленки можно измерять тол­ щиномерами, имеющими измерительные преобразователи с площадью контакта в пределах 1 до 75 мм2 и более.

Всоответствии с ГОСТ 3002—70 шероховатость поверхностей дета­ лей, предназначенных для нанесения защитного покрытия, должна быть не ниже 4-го класса, для нанесения защитно-декоративного по­ крытия не ниже 6-го класса, для нанесения твердого и электроизоля­ ционного анодированного покрытия не ниже 7-го класса (по ГОСТ 2789—59) х.

ВГОСТ 3002—70 указаны требования по толщине, внешнему виду, прочности сцепления, пористости, защитным свойствам для 27 видов покрытий (цинкового, кадмиевого; медного, никелевого, хромового,

оловянного, свинцового, серебряного и др.).

2. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ПЛЕНОК (ПОКРЫТИЙ)

Всоответствии с ГОСТ 16875—71 методы контроля толщины пленок (покрытий) подразделяются на физические неразрушающие, физические разрушающие и химические.

Неразрушающие методы в свою очередь делятся на прямые и кос­ венные.

Вкачестве толщиномеров для прямого измерения служат универ­

сальные	приборы, применяемые для линейных измерений и контроля
шероховатости поверхности. Толщиномеры для		п р я м о г о	и з м е ­
р е н и я	используются в тех случаях, когда	на подложке	имеются

места, не покрытые пленкой. При этом толщина измеряется непосред­ ственно по Ступеньке. Без ступеньки измерять толщину прямым методом можно только прозрачные пленки с помощью приборов для измерения

шероховатости поверхности (ГОСТ 9847—61).		и з м е р е ­
В	качестве толщиномеров для к о с в е н н о г о
н и я	применяются приборы, действие которых зависит от изменения
толщины пленки, а также от свойств материалов пленки		и подложки.

Наибольшее распространение получили толщиномеры, основанные на магнитном, электромагнитном, индукционном, радиоактивном мето­ дах, а также на методе вихревых токов.1

1 Соответственные значения по ГОСТ 2789^-73 см. главу двенадцатую.

Методы и средства измерения толщины пленок {покрытий) 803

Магнитные толщиномеры

Магнитные толщиномеры применяются для измерения толщины

пленок из немагнитного материала, нанесенного иа ферромагнитную подложку.

Магнитные толщиномеры подразделяются на отрывные с постоян­ ным магнитом и отрывные с электромагнитом. Д ействие отрывных тол­ щиномеров с поетинны м магнитом основано на зависимости между

Рис. 13.2

силой отрыва постоянного магнита, определяемой динамометром, и толщиной пленки. Действие отрывных толщиномеров с электромагнитом основано на зависимости между силой переменного тока, протекающего через катушку электромагнита в момент отрыва его сердечника от поверхности измеряемой пленки, и толщиной пленки.

Магнитные толщиномеры — наиболее простые из всех толщиноме­ ров, и поэтому они получили широкое распространение при измерении изделий непосредственно в цеховых условиях. Общий вид толщиномера ИТП-1 с постоянным магнитом показан на рис. 13.2.

Основные технические характеристики магнитных толщиномеров приведены в табл. 13.1.

Индукционные толщиномеры

Принцип действия этих приборов «основан на изменении взаимоин­ дукции между первичной и вторичной’ обмотками чувствительного эле­ мента измерительного преобразователя в зависимости от толщины пленки. Приборы предназначаются для измерения толщин немагнитной или слабомагнитной пленки на ферромагнитной подложке. Недостатком этих приборов, применяемых для автоматизированного и неавтоматизи-

804	Измерение толщины покрытий

Т А Б Л И Ц А 13.1

Т е х н и ч е с к и е и м е тр о л о ги ч е с к и е х а р а к т е р и с т и к и м а г н и т н ы х то л щ и н о м е р о в

Наименование прибора Тип

Магнитный ИТП-1 отрывной

карандашного

типа

МТА-1

В-22

В-166

Магнитный

отрывной рычажного типа

МТ-2

М Т-ДАЗ

Электромагнит­ ный отрывной ИТП-5

2П-38

	Диапазон		Предел
			допуска­
	измере-
			емой по­		Примечание
	ния
	в мкм		грешно­
			сти
	10—500		*10%		Покрытие — нефер­
					ромагнитное,	подлож­
					ка — ферромагнитная
	1 — 10		± 1,5	мкм	Покрытие — никель
	1—50		± 2 ,0	мкм	по стали
	1 —25		=ыо%		Покрытие — никель,
					подложка — неферро­
					магнитная
	2 — 140		± 4 ,0	мкм	Покрытие — нефер­
					ромагнитное,	подлож­
					ка — ферромагнитная
	4 —26		' ± 1 ,0	мкм	Покрытие — никель,
					подложка — феррома­
					гнитная
	10—600		* ю %		Покрытие — нефер­
					ромагнитное,	подлож­
					ка — ферромагнитная
	2— 100		*10%		Покрытие — никель,
					подложка — феррома­
					гнитная
	2 —120		± (1-f-		Покрытие — нефер­
			5) мкм		ромагнитное,	подлож­
					ка — ферромагнитная
	2 - 1 0 0		=*= (1 +		Покрытие — никель,
			~- 2,5)	мкм	подложка — феррома­
					гнитная
	1 - 2 5		±10%		Покрытие — нефер­
					ромагнитное,	подлож­
					ка — ферромагнитна^
	т СО	о	± 1 ,0	мкм	То же
		ю

МОСК-2 3—200

±10%

»

Методы и средства измерения толщины пленок (покрытий) 805

рованного контроля, является относительно большая измерительная поверхность измерительного преобразователя. Поэтому на показания прибора сильно сказываются отклонения от правильной геометриче-

Рис. 13.3

ской формы поверхности подложки, а также краевой эффект. Общий вид индукционного толщиномера ТС-1 представлен на рис. 13.3.

Основные технические характеристики индукционных отечествен­ ных толщиномеров приведены в табл. 13.2.

Индуктивные толщиномеры

Принцип действия этих приборов основан на изменении индуктив­ ного сопротивления катушки преобразователи в зависимости от тол­ щины пленки. Эти приборы предназначаются для измерения толщины немагнитной или слабомагнитпой пленки на ферромагнитной подложке. Они также могут применяться для автоматизированного и неавтомати­ зированного контроля. На показания приборов сильно влияют изме­ нения магнитной проницаемости подложки и расположения измеритель­ ного преобразователя.

Основные технические характеристики индуктивных толщино­ меров, применяемых в СССР, приведены в табл. 13.2.

Индукционные и индуктивные толщиномеры целесообразно при­ менять для контроля немагнитных металлических и неметаллических пленок (покрытий) на ферромагнитных подложках. Преимущество этих приборов заключается в наличии переносных преобразователей, позво­ ляющих измерять толщину пленки в труднодоступных местах и в от­ верстиях.

	Основные технические характеристики индукционных и индуктивных толщиномеров								ТАБЛИЦА 13.2
Тип	Диапазон	Предел				Характеристика материала измеряемой
						детали		Примечание
прибора	измерения	допускаемой
	в мкм	погрешности				Пленка	Подложка
			И н д у к ц и о н н ы е т о л щ и н о м е р ы
т п о	1 —30	+10%				Неферромагнитный	Ферромагнитный	Прибор	может		быть
	1 —20	±ю%				Никель	»	применен	для	автомати­
								зированного		контроля
								толщин	пленок		мелких
в ч -ю т	10— 1300	±10%		\		Неферромагнит-	а	деталей		материала
								В качестве
эт -з	1 —500	±10%		(		ный и лакокрасоч-		пленки могут		быть лако­
						ный		краски,	конденсаторная
ЭТУ-2	3—60	±1,0	мкм при		\			бумага* фольга
		h <	10 мкм,		1	Неферромагнит­
		±10% при			1
		h >	10 мкм		г	ный
КТП-2М	1 — 100	±ю%		мкм/			»
ТС-1	5—60	±(1,0 ±	0,1 h)

И н д у к т и в н ы е т о л щ и н о м е р ы

ТПО-1	0,1	—90		±10%	Неферромагнитный	Ферромагнитный
ЭМКП-4	1	— 100		±10%	Неферромагнитный	»
ИТП-200	10—30			±10%	Никель	»
	1 -2 0 0			±ю%	Неферромагнитный
					(хром, цинк, кадмий
МИП-10	• 0,25 — 75			±(1,5 + 0,1 Л) мкм	и др.)	»
					Неферромагнитный
	6 0 -3		0 0 0	±10%	-	»
П р и м е ч а н и е ,			h	— толщина пленки.

Прибор может быть применен для автоматизи­ рованного контроля мел­

ких деталей

—

._

В качестве пленок мо­ гут быть неметаллические (лаки, эмали и др.)

—

00

о

о>

покрытий толщины Измерение

Методы и средства измерения толщины пленок (покрытий) 807

Токовихревые толщиномеры

Принцип действия этих приборов основан на появлении вихревых токов в электропроводящем материале пленки или подложки при пере­ менном электромагнитном поле катушки индуктивности измеритель­ ного преобразователя.

Токовихревые толщиномеры получили наибольшее распростране­ ние в СССР. Они состоят из высокочастотного генератора, усилитель­

ных блоков и измерительного преобразователя, создающего направлен­ ное высокочастотное электромагнитное поле.

Наиболее целесообразно применять эти приборы для измерения тол­ щин немагнитных металлических, слабомагнитных (никелевых) и не­ металлических пленок (покрытий) нанесенных на диэлектрики. Токо­ вихревые приборы являются переносными, поэтому ими удобно поль­

зоваться в цеховых		условиях.		многих		толщиномеров		выносные,			то
Так как	преобразователи у
ими можно измерять толщины пленок в труднодоступных								местах		и	в
отверстиях.					составляют 0—20 000 мкм;				погреш­
Диапазоны измерений толщин
ность измерения ±(5ч-Ю )% .			Недостаток этих толщиномеров состоит
в индивидуальной		градуировке		прибора		для	определенного сочета­
ния материалов пленки и подложки. Общий							вид токовихревого тол­
щиномера КТА-1 показан на			рис.		13.4.	Основные технические				ха­
рактеристики	токовихревых		толщиномеров,				применяемых		в СССР,
даны в табл.	13.3.

808	Измерение толщины покрытий

Т А Б Л И Ц А 1 3 .3

Технические и метрологические характеристики токовихревых толщиномеров

Тип	Диапазон
	измере­
прибора	нии
	в мкм
ТПО-В	1—30
	10—500
ИДП-3	5 -2 0 0
ТМ-57	1 — 100
МТ-2	2 —500
ТПН-1	5— 50
ИДП-5 .	50 —300
	2— 100
ЭМТ-2БМ	1 — 30
	2— 100
ЭМТ-21	0,4 —20
ЭМТ-2П	1 — 100
ТСП-1	5—25
ИГП-2	2,5 — 25
ППМ-6	2 —50
УП-ЗМ	1—50
	2— 100
	3— 150
	4 —200
ВИГП-1Ф	1—40
ВТМС-1П	1 —8
ВИНП-1П	1—5
КГП-1	1—50
ТПЦ-1	1 —25

Предел

допускаемой

погрешности

—8%

± 8 %

— ю %

±10%

± 5 %

± 3 ,0	мкм
± 1 2	мкм

±10%

±10%

± ю %

±10%

±10%

±10%

±10%

±15%

±7%

±7%

'±7%

±7%

1,0 мкм

—

—

±20%

± (0,5 -J- 0,05h) мкм

ПИТ-1	2—25	—
ИТ К-62	5—800	±10%

Материал	Материал
покрытий	подложки
Металл	Ферромагнитный
Неметалл	металл
	Металл
Неэлектро­	Неферромагнит­
проводный	ный меяалл
Металл	Металл
Неэлектро­	»
проводный
То же	Неферромагнит­
	ный металл
»	То же
	»
Никель	Сталь
Медь	»
Неферромагнит­	»
ный
То же	»

»Неферромагнит­

ный металл

Серебро		Латунь; титан
Неферромагнит­		Ферромагнитный
ный
Неферромагнит­		Ферромагнит­
ный; никель		ный; неферро­
		магнитный
Неферромагнит­		металл
		Неферромагнит­
ный		ный металл
То же		Неметалл
Неметалл		Неферромагнит-
		ный металл
Медь,	цинк,	Сталь
кадмий,	олово
Золото		Полупроводник
Никель		»
Медь,	цинк,	Сталь
кадмий,	хром,
никель
Цинк		Сталь
Неферромагнит­		Электропровод­
ный		ный
Неэлектро­		Неферр©магнит­
проводный		ный металл

Методы и средства измерения толщины пленок						(покрытий)		809
					Продолжение		табл.	13.3
Тип	Диапазон		П редел	Материал		Материал
	измере­
прибора		ний	допускаемой	покрытий		подл о ж ки
	в мкм		погрешности
КТП-1А	0,5	— 50	± 6 %	Медь,	цинк,	Сталь
				кадмий,	хром,
				олово
ИТП-У	0,5	— 30	=±6%	Никель		Латунь
	0,5— 50		— 6%	Серебро			»
	0,25— 50		±10%	Металл		Металл
	10— 1000		=*=10%	Не.элсктро-			»
				пронодный
ИТП-Д	5	— 250	± 10%	То	же		»
ТПК-1М	3	— 300	— 10%	»		11еферромагнит-
						н ый	металл
ТЦП-2	6	— 300	± 5 %	Металл		Стекло,	пластик
ТПМ-ПЗ	20—2000		— 5%	Неэлектро­		Металл
				проводный
ТПМ-Н1	20— 1000		± 5 %	То	же		»
П р и м	е ч а н и е.		h — толщина	пленки.

Тип

прибора

БТП-3

БТП-4

ИТП-476М

РТ-1

РТ-2

РТ-3

РТ-4

Бета-микро­ метр

						ТАБЛИ ЦА 13.4
	Технические		и метрологические характеристики
		радиоизотопных			толщиномеров
	Диапазон		Предел
	измере­				Материал	Материал
			допускаемой
		ния			покрытия	подложки
			погрешности
	в мкм
	0	1	=8=10%		Медь	Гетинакс
		СП о
	5— 50		±=2,0	мкм	Цинк	Сталь
			гЫ.О	мкм	Олово	»
	0,1 — 5		±=0,15	мкм	»	»
	10— 100		±=10%		Серебро	Кварц, керамика
	10— 100		=±ю%		Медь	Гетинакс
	10 — 100		=±10%		Магний	Сталь
	5— 50		=± ю%		Серебро	Медь
	0,4 — 10		=± (0.2 -h		Платина	Титан
			0, 0 2 /1) мкм

П р и м е ч а н и е , h — высота пленки.

810	Измерение толщины покрытий
	Радиоизотопные толщиномеры
Принцип действия этих приборов основан на изменении интенсив­
ности	обратного рассеяния ядерных излучений от толщины пленки.

В качестве излучателя применяется мягкое бета-излучение, а при­ емниками отраженного излучения служат ионизационные камеры, газоразрядные и сцинтиляционные счетчики.

Для обеспечения требуемой точности измерения с помощью радио­ изотопных приборов необходимо, чтобы толщина подложки была больше толщины насыщения, а толщина пленки (покрытия) — меньше толщины насыщения, причем атомные номера материалов подложки и пленки должны отличаться друг от друга более чем на 2—4 единицы.

Преимущества радиоизотопных толщиномеров: бесконтактность измерения, возможность измерения толщин большинства материалов на многих подложках, а также автоматического измерения. Диапазон измерения с помощью выпускаемых в СССР приборов составляет 0— 100 мкм, при этом погрешность измерения составляет ± 10%.

К недостаткам этих приборов относятся: необходимость градуи­ ровки для каждой пары материалов (пленки и подложки), соблюдение особых мер предосторожности при работе с радиоактивными веществами.

Технические характеристики приборов, выпускаемых в СССР,

даны в табл. 13.4.

3. ПОВЕРКА ТОЛЩИНОМЕРОВ

Поверка толщиномеров пленок должна производиться по образ­ цовым мерам толщины пленок, представляющим собой плоские или

Рис. 13.5