ضخامت سنجی

انواع روش ­های آزمون ضخامت سنجی

براي اندازه ­گيري ضخامت پوشش­ها، از دو روش كلي مي­توان استفاده نمود كه توضيح آن به شرح ذيل است:

روش­هاي تست غير مخرب

در صورتي كه تعداد محدودي قطعه جهت تست وجود داشته باشد يا نياز باشد تا قطعه بعد از تست سالم بماند بايد از آزمون­هاي تست غير مخرب استفاده شود. آزمون­هاي تست غير مخرب داراي روش­هاي مختلفي مي­باشد كه برخي از آنها به شرح ذيل مي­باشند :

۱)روش­هاي مغناطيسي

دستگاه­هاي مورد استفاده در اين روش­ها، ميزان جاذبه مغناطيسي ميان مغناطيس دائم و فلز پايه را كه به وجود پوشش بستگي پيدا مي­كند و يا مقاومت شار مغناطيسي عبوري از جسم (متشكل از فلز پايه و پوشش) را، تعيين مي­كند. ميزان خطا در اين روش، معمولاً كمتر از ۱۰ درصد ضخامت پوشش و يا  ۱.۵ ميكرومتر (هر كدام كه بزرگتر است)، مي­باشد. كاربرد اين روش­ها، محدود به پوشش­هاي غير مغناطيسي بر روي اجسام پايه مغناطيسي و پوشش­هاي آبكاري شده از نيكل بر روي اجسام پايه مغناطيسي و يا غير مغناطيسي مي­باشد.

۲)روش جريان گردابي

اين روش، متكي بر اختلاف هدايت الكتريكي، ميان پوشش و جسم پايه مي­باشد. اين روش جهت اندازه­گيري ضخامت پوشش­هاي نارسانا، بر روي فلزات غير مغناطيسي، و پوشش­هاي تك لايه­اي فلزي بر روي نارساناها بكار مي­رود. چنانچه اين روش براي اندازه­گيري ضخامت پوشش­هاي فلزي بر روي اجسام پايه فلزي بكار رود جهت دستيابي به نتايج قابل قبول، به دقت زيادي نياز مي­باشد. ميزان خطاي اندازه­گيري در اين روش، معمولاً، كمتر از  ۱۰ درصد ضخامت پوشش و يا  ۰.۵ میکرومتر (هر كدام كه بزرگتر است) مي­باشد.

۳)روش­هاي طيف نگاري

در اين روش­ از انتشار و جذب اشعه ايكس براي اندازه­گيري ضخامت استفاده مي­شود. اشعه ايكس توليد شده به ناحيه مشخصي از سطح نمونه حاوي پوشش، برخورد داده مي­شود و شدت اشعه ثانويه انتشار يافته توسط پوشش و يا جسم پايه، كه به علت وجود پوشش تضعيف شده است، اندازه­گيري مي­شود. بين شدت اشعه ايكس و ضخامت پوشش رابطه­اي برقرار مي­باشد، كه اين ارتباط با استفاده از نمونه­هاي استاندارد براي كاليبراسيون دستگاه بدست مي­آيد. روش اشعه ايكس كاربرد وسيعي دارد. اما ميزان صحت و دقت آن در موارد ذيل كاهش مي­يابد: الف- هنگامي كه از عناصر و اجزاء تشكيل دهنده پوشش، در فلز پايه هم وجود داشته باشد و يا بالعكس. ب- هنگامي كه بيش از دو لايه پوشش متفاوت بر روي هم داشته باشيم. ج- هنگامي كه ماهيت شيميايي پوشش و نمونه­ هاي استاندارد براي كاليبراسيون دستگاه، تفاوت زيادي داشته باشند. روش اندازه ­گيري بوسيله اشعه ايكس در ضخامت­هايي بالاتر از مقادير معين كه بستگي به عدد اتمي و جرم فلز دارد، قابل استفاده نمي­باشد. دستگاه­هاي موجود قادرند ضخامت پوشش­ها را، با خطايي كمتر از ۱۰ درصد اندازه ­گيري كنند.

۴)روش اشعه برگشتي بتا

دستگاه­هاي اندازه­گيري در اين روش، با راديو ايزوتوپ­هايي كه ساطع كننده اشعه بتا بوده، و نيز آشكار سازهايي كه شدت اشعه بتاي بازگشتي از نمونه مورد آزمون را اندازه­گيري مي­كند، مجهز مي­باشند. شدت اشعه بتا، بين مقادير شدت اشعه برگشتي از پوشش، و شدت اشعه برگشتي از فلز پايه قرار دارد. اين اندازه­گيري، صرفاً، هنگامي كه عدد اتمي ماده پوشش، از عدد اتمي جسم پايه به قدر كافي متفاوت باشد، كاربرد دارد. دستگاه، با استفاده از نمونه­هاي استاندارد براي كاليبراسيون كه داراي همان ماهيت پوشش و جسم پايه نمونه مورد آزمون است، كاليبره مي­گردد. با اندازه­گيري شدت اشعه برگشتي بتا، از نمونه مورد آزمايش، جرم واحد سطح پوشش محاسبه مي­شود. در صورت يكنواختي و همگوني دانسيته پوشش، جرم واحد سطح با ضخامت، نسبت مستقيم دارد. اين روش هم براي پوشش­هاي نازك، و هم براي پوشش­هاي ضخيم كاربرد دارد، اما حداكثر ضخامت قابل اندازه­گيري، به عدد اتمي پوشش بستگي پيدا مي­كند. با اين روش ، با خطايي كمتر از  ۱۰ درصد مي­توان محدوده وسيعي از ضخامت­ها را اندازه­گيري نمود.

۵)روش ميكروسكوپي شكست نور

اين دستگاه در اصل، براي اندازه­گيري ناهمواري سطوح طراحي شده است؛  اما از آن براي اندازه­گيري ضخامت پوشش­هاي شفاف و نيمه شفاف، به ­ويژه پوشش ­ها بر روي آلومينيم هم، استفاده مي­شود. يك دسته امواج نوراني تحت زاويه ۴۵ درجه، به سطح قطعه تابيده مي­شود. قسمتي از اين امواج از سطح پوشش منعكس و قسمتي ديگر از اين امواج به پوشش نفوذ و در مرز ميان جسم پايه و پوشش منعكس ميگردد. فاصله­اي كه ميان انعكاس­ها در چشمي ميكروسكوپ مشاهده مي­شود با ضخامت پوشش متناسب بوده و مي توان مقدار آن را بوسيله يك پيچ ورنيه­اي كه بر روي دستگاه نصب شده است اندازه‏گيري نمود. به شرطي مي­توان از اين روش استفاده نمود كه نور كافي از مرز ميان فلز پايه و پوشش منعكس گرديده و تصوير واضحي در ميكروسكوپ مشاهده شود. براي پوشش­هاي شفاف و يا نيمه شفاف مانند فيلم­هاي اكسيد آندي، اين روش غير مخرب محسوب مي­شود. براي اندازه­گيري ضخامت پوشش­هاي مات و غير شفاف كه لازم است ناحيه كوچكي از پوشش را جدا نمود اين روش مخرب خواهد بود. پله موجود بين سطح پوشش و فلز پايه، انحرافي را براي امواج نوراني ايجاد مي­كند كه بيانگر اندازه مطلق ضخامت مي­باشد. خطاي اين روش معمولاً كمتر از ۱۰ درصد است.

روش­هاي تست مخرب

در صورتي كه تعداد زيادي قطعه جهت تست وجود داشته باشد يا به ضرورت ذاتي تست، قطعه تخريب شود از آزمون­هاي تست مخرب استفاده شود.

۱)روش انحلالي

روش پوشش برداري نمونه مورد آزمون قبل و بعد از انحلال پوشش، به نحوي كه جسم پايه مورد تاثير شيميايي قرار نگيرد و يا توزين پوشش بعد از انحلال جسم پايه، بدون آنكه پوشش مورد تاثير شيميايي قرار گيرد، جرم پوشش تعيين خواهد شد كه در اين صورت پوشش بايد از دانسيته يكنواخت برخوردار باشد. از تقسيم جرم پوشش بر دانسيته و سطح آن مي­توان به ميانگين ضخامت پوشش دست يافت. در محدوده وسيعي از ضخامت­ها، خطاي اين روش معمولاً كمتر از ۵ درصد است.

۲)روش تجزيه شيميايي

در اين روش پوشش را خواه با حل شدن جسم پايه و خواه با عدم انحلال جسم پايه در يك حلال مناسب حل مي­نمايند و سپس با استفاده از آناليزهاي شيميايي، به تعيين مقدار جرم پوشش مي­پردازند. از تقسيم جرم پوشش بر دانسيته و سطح آن، مي­توان به ميانگين ضخامت پوشش دست يافت. در محدوده وسيعي از ضخامت­ها، خطاي اين روش معمولاً كمتر از ۵ درصد است. اين روش در صورتي كه بين جسم پايه و پوشش عنصر تشابهي وجود داشته باش ، مي­تواند قابل اطمينان نباشد.

۳)روش كولومتري

در اين روش ضخامت پوشش فلز  با اندازه­گيري مقدار الكتريسيته لازم جهت انحلال پوشش  از يك ناحيه كاملاً مشخص، با مساحت معين، در حالي كه جسم تحت شرايط مناسب و الكتروليت مطلوب بعنوان آند رفتار مي­نمايد، تعيين مي­گردد. در خاتمه انحلال آندي پوشش، تغييري در پتانسيل مشاهده خواهد شد. اين روش براي پوشش­هاي فلزي بر روي اجسام پايه فلزي و غير فلزي كاربرد دارد. خطاي اين روش بطور معمول كمتر از  ۱۰ درصد مي­باشد.

۴)روش ميكروسكوپي

در اين روش ضخامت پوشش با استفاده از سطح مقطع آن توسط ميكروسكوپ اندازه­گيري مي­شود. در اين روش بايد پوشش از سطح قطعه جدا شود كه اين امر خود باعث تخريب قطعه شده و اين گونه تست­ها را در رديف تست­هاي مخرب جاي داده است. خطاي اندازه­گيري در اين روش معمولاً كمتر از  ۱۰ درصد با حداقل خطای ۰.۸ ميكرومتر مي­باشد.

۵)روش پروفيل نگاري

در اين روش پله­اي ميان پوشش و فلز پايه ايجاد مي­نمايد. براي ايجاد چنين پله­اي، يا قسمتي از سطح نمونه مورد آزمون را ماسك كرده و سپس پوشش لازم را ايجاد و يا آنكه بعد از پوشش­دهي قسمتي از پوشش را حل مي­نمايند، به نحوي كه به جسم پايه آسيبي نرسد. در اين حالت اندازه­گيري ضخامت، با ثبت ميزان حركت يك سوزن كه مسير پله را طي مي­كند، انجام مي­پذيرد. در محدوده وسيعي از ضخامت­ها ، خطاي اين روش معمولا كمتر از  ۱۰ درصد است.

۶)روش تداخل سنجي ميكروسكوپي

در اين روش جهت اندازه­گيري ضخامت پوشش، از تابش نور تك فام به سمت پله ايجاد شده ميان پوشش و جسم پايه، استفاده مي­شود. وجود اين پله در سطح نمونه مورد آزمايش ، سبب ايجاد تغيير مكان در نوار تداخلي مي­شود كه جابجائي نوار تداخلي، متناسب با نصف طول موج اشعه تابانده شده و ارتفاع پله است. در حالت پرتو چندگانه، خطاي اين روش معمولاً كمتر از  ۰.۰۱ ميكرومتر مي­باشد. براي رسيدن به اندازه درست و صحيح در ضخامت سنجي پوشش­ها بايد به نكات زير توجه داشت: الف)از دستگاه­هاي شناخته شده تجاري موجود در بازار استفاده شود. ب)نمونه مورد نظر بايد مسطح و به اندازه كافي وسيع باشد. ج)براي پوشش­هاي متداول از روش­هاي آبكاري الكتريكي، اتوكاتاليستي، آنادايز و يا پوشش دادن سراميك، استفاده شوند. د)در اندازه ­گيري، سعي و دقت معقولي به عمل آمده باشد.