利用库仑法进行导电覆盖层厚度测量的手段获得了广泛应用[1,2]。阳极库仑溶解测厚方法与其他测厚方法相比,有其独特的优点。尽管目前测厚方法有许多,但国际上认可的仲裁方法主要有金相法和库仑法,如ISO 1461—1999,以及ASTMA 630—98中所规定。近20年来,国内外发展了多种型号的库仑测厚仪器。例如近年来在国内销售的德国EPK公司生产的GALVANOTEST库仑测厚仪、日本电测株式会社生产的CT-2型库仑测厚仪、德国的STANOSCOPE库仑测厚仪、以色列产SN-600系列库仑测厚仪和国内生产的ZD-B型智能库仑测厚仪等。本文就库仑测厚技术的应用现状及发展方向进行了阐述。
1 国内外库仑测厚仪器现状
国外仪器的突出特点是其外观比较漂亮,特别体现在测试台架的设计、加工制造上,如德国EPK公司生产的GALVANOTEST库仑测厚仪。近年来随着技术的发展,国外仪器在软件功能的配备上增加了很多,例如可以让用户设置测量参数、校正系数,调整终点电压,计算统计值等。国内仪器尽管在外观上逊色于国外高档仪器,但在主要测厚功能上与国外仪器不相上下,因为采用的测量原理和具体基本电路处理方法是相同的。国产仪器的优势在于其性能价格比,通常是国外仪器价格的1/5~1/10,而且售后服务及时到位。
尽管仪器的功能增加了很多,但在发展库仑测厚技术上却进步不大,没能充分发挥其技术特点。库仑测厚技术依据电化学中的库仑原理对覆层进行阳极溶解,通过记录溶解过程中所需的电量(电流与时间的积分)和覆层材料的电化学当量常数得到覆层的厚度值。由于是逐渐剥离覆层,因而能得到覆层间材料的其他信息,如可以测量合金层的厚度和多覆盖层的厚度、可以根据各层间的相对电位判定其耐腐蚀状况(测量双层镍或三层镍)等。这些是其他测量方法所得不到的。而目前这些信息没有充分利用,仪器主要功能是测厚。其他功能作为配套,而且需配备其他记录设备,如X-Y函数记录仪,并且需手动人工分析数据。
目前,国内大部分库仑法电解测厚仪或是采用分离元件包括集成电路构成的控制、电位检测电量记录、厚度计算显示单元;或是采用单片计算机及
其配套器件构成测量控制系统。主要是依据电解过程中覆层材料溶解完成后基体材料电位的变化,根据电流和时间来确定覆层厚度。这不仅没有充分发挥库仑测厚技术的特点,而且上述类型仪器还主要存在如下问题:
(1)不能测量具有合金层的覆盖层;
(2)不能观测到覆盖层可能存在的异常情况;
(3)不能直接测量三层镍或双层镍,需采用辅助电极系统(三电极系统),并另配X-Y记录仪,从记录纸上计算各种参数;
(4)不能保存大量的测量数据供以后再分析处理;
(5)系统扩充比较困难。
国外的依器有部分也存在上述问题。有些虽然整机功能较强,但由于是单台仪器,无论是显示界面还是软件功能均受到一定限制。库仑测厚技术的发展关键在于充分利用在测量过程中得到的有关覆层的全部信息,特别是实时动态记录和显示电位变化曲线,再通过物理化学模型从中进一步提取所包含的信息。电解过程是一个动态过程,电位值及其变化值也不是完全恒定的,其中受温度变化的影响较大,需要综合考虑电解过程中电位随时间的变化情况。仅靠检测电位变化阈值和累计电量(电流乘以时间)值是不能解决上述问题的。同时要方便地扩充仪器功能,特别是采用智能算法处理数据,仅靠单片计算机开发是很困难的。特别是某些类型的仪器还是采用分离元件或小规模集成电路进行电位判别和数据计算,存在仪器测量种类少、无智能化、测量精度低和难以扩充等问题。
2 技术发展趋势和途径
解决上述问题的根本途径在于传统的库仑测厚技术必须与现代的计算机信息技术有机结合。利用库仑测厚技术能够全面分析覆层内部的特点,将所获取的原始数据利用现代计算机技术进行充分处理加工,最大限度获取全面的信息,就能充分发挥库仑测厚技术的特点和优势。
代表库仑测厚技术最新发展的一套实用系统结构示意图见图1。该系统从结构上分为两大部分,单片计算机为核心构成的测量控制数据采集通讯收发系统;PC计算机为硬件基础和专用软件构成的测量命令数据接收分析处理系统。单片机系统负责完成测量控制和数据采集,并定时向PC系统发送采集的数据。
无论是否与PC机系统联机通讯,单片机系统象传统的库仑测厚仪一样可独立完成厚度测量工作。PC机系统在软件的指挥下向单片机系统发送控制命令,并实现采集数据的接收、保存、显示、分析、处理。PC机在与单片机系统联机的情况下,测量操作可在PC机上通过鼠标完成,无需再按动单片机系统命令键。
3 新型库仑测厚仪技术特点及应用实例
上述由计算机构成的ZD-B库仑测厚系统具有如下优点:
(1)能够测量具有合金层的覆盖层;通过分析测量曲线,可以知道是否存在合金层,并能计算合金层的厚度。
(2)可以观测到覆盖层可能存在的异常情况;通过测量数据曲线的变化趋势,可以知道本次测量是否正常;材料成分有无异常变化等。
(3)能够直接测量三层镍或双层镍,无需X-Y记录仪;通过记录的曲线可以直接分析三层镍的分层厚度、半光亮镍与光亮镍之间的电位差、高硫镍与光亮镍之间的电位差,并能打印数据曲线和标准格式报告。
(4)测量三层镍或双层镍无需采用辅助电极系统(三电极系统);通过分析记录的数据直接得到电位差数据,无需采用辅助电极系统(三电极系统),简化了仪器结构,提高了系统的可靠性。
(5)能够保存大量的测量数据供以后再分析处理;测量数据记录在计算机硬盘上其存储容量可以是无限的。可以日后随时调出重新分析,并将数据提供给其他软件使用。
(6)系统扩充容易;利用PC机的强大处理功能和完善的开发平台,很容易扩充系统功能。通过记录测量过程中电位随时间变化的曲线,提取其中信息,可得到覆盖层的多方面信息,如厚度、合金成分、耐蚀性等。
通过分析阴阳极电位差数据,得到三层镍(双层镍)或其他类似覆盖层的电位变化曲线,从智能化曲线分析得到各种电化学参数,如各层的电位差等。无需采用辅助电极和另配X-Y记录仪等类似其他记录设备就能完成分析工作。
采用计算机控制数据分析系统可以解决传统库仑测厚仪实际使用中难以解决的一些问题。例如,采用某些电解液的电解过程受温度影响很大。一些实验室很难保证恒定的操作温度,特别是在冬、夏季。根据计算机记录的测试曲线,很容易校正测量过程中因温度影响所造成的误差。
3.1 典型测量曲线
图2为测量电镀锡板的测量曲线。根据曲线我们可以清楚地分辨纯锡层和合金锡层的厚度,并进一步通过电位分析得到其电化学性能参数,这些是其他方法所不能得到的。
3.2 多层镍测量曲线(见图3)
从上述例子清楚地看到,通过实时显示和记录的曲线,可以清楚地知道测量过程是否正常,很容易校正因温度等其他因素引起的误差。曲线被自动分析,可以得到各层间的电位差、厚度以及其他电化学信息。能打印曲线,数据以标准格式报告打印,数据可以分类保存在计算机硬盘上,随时调阅分析。
注意,上述曲线是测量过程中在计算机屏幕上实时记录和显示的曲线,无需传统的X-Y函数记录仪,并且保存在计算机中,可供随时查看、分析。
[参考文献]
[ 1 ] 金属覆盖层———覆盖层厚度测量———阳极溶解库仑法,ISO 2177—1985(E)[S].
[ 2 ] 全国金属与非金属覆盖层标准化技术委员会.覆盖层标准应用手册[M].北京:中国标准出版社,1999
作者：刘建国1,许姬姣2,凌国伟1,金东平1,喻宗方1
(1.武汉材料保护研究所,湖北武汉430030;2.广东省现代实业有限公司,广东顺德528300)
