镀层厚度的测定的分析介绍

镀层厚度是衡量镀层质量的重要指标之一。镀层厚度直接影响到工件的耐蚀性和导电性等，从而很大程度上影响产品的可靠性和使用寿命。

测定镀层厚度的方法很多，根据镀层是否因测试而破坏可分为无损法和破坏法。破坏法包括：溶解法、液流法、点滴法、库仑法（电量法）、金相显微镜法、轮廓仪法、干涉显微镜法等。无损法包括：质量法、磁性测厚仪法、涡流测厚仪法、β射线反射测厚仪法和X射线荧光测厚仪法、双光束显微镜测厚仪法、机械量具法等。表10-5列出了常用镀层厚度测定方法的种类与特点。

表10-5 常用镀层厚度测定方法的种类与特点

（续）

1.化学溶解法

化学溶解法不是测定镀层的局部厚度，而是测定整个镀层的平均厚度，测量误差一般小于5%。但是，在基体与镀层中含有相同的金属时，测量误差增大，且不易测准确。

测定时，将试样放入适当的溶液中浸泡，使镀层或基体金属溶解，然后比较溶解前后试样的质量，从而来测定镀层的品质。或者待镀层溶解完毕后，用化学分析法测定镀层的品质。根据镀层质量、密度和试样面积，即可计算出镀层的平均厚度。

（1）试样的制备 试样溶解前要用有机溶剂脱脂，然后用清水洗净、再用乙醇脱水并干燥，保存在干燥器中备用。

（2）试验溶液 溶解法测厚所用溶液因镀层与基体而异，常用试验溶液见表10-6。所用试剂应为化学纯，溶液均用蒸馏水配制。

（3）镀层平均厚度的计算 镀层平均厚度可按下式计算：

式中，h是镀层的平均厚度（μm）；m₁是镀层溶解前的试样质量（g）；m₂是镀层溶解后的试样质量（g）；S是试样上镀层的表面积（cm²）；d是镀层金属的相对密度（g/cm³）

表10-6 化学溶解法测厚常用试验溶液

2.库仑法和电势连续测定法

（1）库仑法测厚原理 库仑法又称阳极溶解法或电量法。它是使用恒定的直流电流，通过适当的电解溶液，使镀层金属发生阳极溶解，根据电解所消耗的电量计算镀层厚度的方法。当镀层金属完全溶解且裸露出基体金属或中间镀层金属时，电解池电压会发生跃变，从而指示测量已达到终点。根据溶解镀层金属所消耗的电量、镀层被溶解的面积、镀层金属的电化当量、密度以及阳极溶解的电流效率计算镀层厚度。

库仑法适用于测量除难以阳极溶解的贵金属镀层以外的、金属基体上的单层或多层单金属镀层的局部厚度，其测量误差在±10%以内。当镀层厚度大于50μm和小于0.2μm时，误差稍大。有时由于镀层扩散到基体，使接口合金化，也可能会影响测试精度。

库仑法测厚可使用DJH电解式测厚仪。

（2）电解液 库仑法测厚所使用的电解液应具备以下性质：

1）不通电时，电解液对镀层金属应无化学腐蚀作用。

2）阳极溶解电流效率为100%（或接近100%）。

3）镀层金属阳极溶解完毕、基体金属裸露时，电极电势应发生明显变化。

测量各种镀层厚度所使用的电解液见表10-7。电解液所用的化学药品为化学纯，溶液用蒸馏水配制。不同型号的库仑测厚仪使用的电解液及测试条件可能不完全一样，应参阅仪器使用说明书。

表10-7 测量各种镀层厚度所使用的电解液

（3）镀层厚度的计算 库仑法测厚按下式计算镀层厚度：

，其中，Q=it

式中，h是镀层厚度（μm）；K是阳极溶解的电流效率（效率为100%时，其值为100）；Q是溶解镀层所用的电量（C）；i是流过的电流（A）；t是电解所耗费的时间（s）；E是测试条件下镀层金属的电化当量（g/C）；S是电解去除镀层的面积（cm²）；ρ是镀层金属密度（g/cm³）。

（4）电势连续测定法 电势连续测定法的测定装置如图10-24所示。它的测定原理和库仑法基本相同，所不同的只是在电解池中放入了参比电极，从而可以测定在电解过程中被测镀层与参比电极之间的相对电势差，并得到电势与镀层厚度的关系。

DJH-B型多层镍镀层厚度-电势测定仪除具有DJH型电解测厚仪的全部功能外，还能测量多层镍镀层（半光亮镍-高硫镍-光亮镍）的总厚度及其各层厚度，同时显示出各镍层之间的电势差。

3.计时液流法

在一定速度的液流（试液）作用下，使试样的局部镀层溶解，镀层完全溶解的终点，可由肉眼直接观察金属特征颜色的变化，或借助于特定的终点指示装置（显示镀层完全溶解的瞬间电势或电流的变化）来确定。金属镀层的厚度可根据试样上局部镀层溶解完毕时所消耗的时间来计算。

图10-24 电势连续测定法测试装置示意图

计时液流法适用于测量金属件的防护-装饰性镀层和多层镀层的厚度。被测面积应不小于0.3cm²，一般测量误差为±10%，而实际测量误差往往偏高。这种方法设备简单，操作方便，可测镀层种类较多，国内应用十分广泛。该方法可用于生产过程中的镀层测厚，以控制电镀产品的质量。

（1）测量装置 其测量装置的主要组成部分是观测终点的装置。

1）直接观察终点的测量装置。带有活塞的分液漏斗的下端用橡胶管连接毛细管，毛细管长（120±5）mm，内径为ϕ1.5～ϕ2mm，下端外径应不超过ϕ2.0mm（见图10-25）。为取得规定的流速，应将毛细管壁先用锉刀锉平，然后用砂纸磨光。校正毛细管口径时，应把活塞全部打开，使毛细管在正常压力下，温度为18～20℃时，30s内能流出（10±0.1）mL的蒸馏水。

利用玻璃管来保持液压稳定，玻璃管通过橡胶塞插到漏斗中，并使空气有可能通过小孔进入漏斗。玻璃管应位于溶液中并保持一定位置，即距毛细管下端为（250±5）mm。当溶液从漏斗内流出时，其内压力降低，因而迫使空气从小孔进入漏斗，以保证测量时压力恒定。

2）带有终点指示装置的仪器。某些镀层在溶解过程中用肉眼观察溶解终点有困难时，可在图10-25的仪器的基础上增加终点指示装置，如图10-26所示。即将一根铂丝封闭在玻璃管10的一端，然后将该玻璃管通过橡胶塞插入分液漏斗中，其下端与玻璃管4取平。将铂丝和试样按图10-26连接，电路包括：单级放大器、电源及允许使用任何线路结构的放大装置。

（2）试验溶液 计时液流法测厚用试验溶液见表10-8。所用化学试剂均为化学纯，并用蒸馏水配制溶液。

（3）测定方法

图10-25 计时液流法测厚仪器

1—温度计 2—玻璃管4上的空气孔 3—橡胶塞 4—玻璃管 5—500～1000mL的分液漏斗 6—活塞 7—橡胶管 8—毛细管 9—待测试样

图10-26 带终点指示装置的仪器

1—温度计 2—玻璃管上的通气孔 3—橡胶塞 4—玻璃管 5—分液漏斗 6—活塞 7—橡胶管 8—毛细管 9—试样 10—封有铂丝的玻璃管 11—铂丝 12—放大器

1）试样的准备。将试样用有机溶剂（如汽油、丙酮）脱脂，若镀后立即进行测定，可不必进行脱脂。

表10-8 计时液流法测厚用试验溶液

2）仪器的准备。测定前将试验溶液倒至分液漏斗体积的3/4；打开活塞，使溶液充满毛细管，用橡胶塞塞紧分液漏斗颈口；重新打开活塞，让溶液从分液漏斗中流出来，直到空气泡通过玻璃管均匀地吸入分液漏斗内，这时表明分液漏斗内压力已稳定。

如果在溶液填充毛细管时，在橡胶管或毛细管内有空气泡，要在活塞打开时紧压橡胶连接管，把空气排出。

将准备好的仪器固定在支架上，并使毛细管尖端与试样的被测表面距离为4～5mm，试样被测表面与水平面成45°±5°。

3）测定。打开活塞，同时用秒表记录从开始到试样表面出现终点的时间，并记录溶液温度。

测量多层镀层时，应分别记录每层镀层溶解所消耗的时间。

在测定点附近再重复测定两次，取3次结果的算术平均值，然后计算镀层厚度。

某些镀层观察溶解终点有困难时，可采用图10-26的装置进行测量。当镀层溶解完毕，裸露出中间层金属或基体金属时，电流表指标发生偏转，这时停下秒表，记录溶解镀层所消耗的时间。

（4）镀层局部厚度的计算 镀层局部厚度按下式计算：

h=h_tt

式中，h是镀层局部厚度（μm）；h_t是在一定温度下，试液溶解镀层的速度（μm/s），其数值可由表10-9查出；t是溶解镀层所消耗的时间（s）。

表10-9 计时液流法测定镀层厚度时的h_t值 （单位：μm/s）

（续）

表中所列h_t值适用于下列镀层：

1）氰化物、硫酸盐、铵盐和锌酸盐电解液镀锌镀层。

2）氰化物电解液镀镉镀层。

3）氰化物和焦磷酸盐电解液镀铜镀层。

4）硫酸盐电解液镀镍镀层。

5）氰化物、硫氰化物电解液镀银镀层。

6）氰化物电解液镀Cu-Sn合金镀层。

7）酸性或碱性电解液镀锡镀层。

（5）注意事项 计时液流法测定镀层厚度的注意事项如下：

1）该方法适用于厚度大于2μm的镀层的测定，否则误差大于10%。

2）表面最外层为镍镀层的试样，为除掉镍表面的钝化膜，测试前要先用蘸有质量比为1∶1盐酸溶液的棉花擦拭镀层表面，然后水洗，干燥后测试。

3）表面最外层为镀铬层的试样，测量下一层镀层厚度时，应先用含有1%～2%（质量分数）三氧化二锑的浓盐酸除去铬镀层。

4）对锌、镉镀层，一般应在钝化、磷化之前进行测厚。对于钝化后的试样，为除去镀层上的钝化膜，要用蘸有质量比为1∶8盐酸溶液的棉球擦拭被测试样表面。待膜层除去后，迅速清洗、干燥，然后进行厚度测定。

5）在测定过程中，需经常用蒸馏水检查从毛细管流出的试液的速度。(www.xing528.com)

4.金相显微镜法

金相显微镜法测定镀层厚度就是使用制备金相试样的方法得到镀层的横断面，在金相显微镜下，直接测量金属镀层或化学保护层的局部厚度或平均厚度。

金相显微镜法测量精度高，重现性好；但此法操作复杂，要求有一定的技术和设备，故一般不作为车间生产检验的方法。

该方法适用于测量2μm以上的各种金属镀层和化学保护层的厚度。当厚度大于8μm时，可作为仲裁检验方法使用，测量误差一般为±10%。当厚度大于25μm时，可使测量误差小于5%。该方法也可测量薄镀层，可精确到±0.8μm。

（1）测试仪器 使用经过校准的、带有螺旋游动测微计或目镜测微计的各种类型的金相显微镜。

（2）试样准备 一般可从零件主要表面的一处或几处切取试样。镶嵌后，对横断面进行适当的研磨、抛光和浸蚀。室温下使用的一些典型浸蚀剂见表10-10。

表10-10 室温下使用的一些典型浸蚀剂

浸蚀完毕后，试样先用清水冲洗，后用乙醇洗净，以热风快速吹干。化学保护层的试样（如铝氧化膜）不必浸蚀。

（3）测定 采用螺旋游动测微计或目镜测微计的金相显微镜，按仪器规程进行测量。测量仪器在测量前和测量后至少要标定一次，标定和镀层厚度测量都应由同一操作者完成。载物台测微计和镀层应放在视场中央。在同一位置上，每次测量值至少是3次读数的平均值。如需要测量平均厚度，则应在镶嵌试样的全部长度范围内测量5个点，然后取平均值。

使用这一方法测量镀层厚度时，测量误差一般是随放大倍数的减小而增大。因此，选取放大倍数时，通常应使视场直径为镀层厚度的1.5～3倍。

5.轮廓仪法

轮廓仪测厚法又称触针法。它是采用镀前屏蔽或镀后溶解的方法，使整体的某一部位不存在镀层，于是基体和镀层之间形成一个台阶。当轮廓记录仪触针扫描通过这一台阶时会发生上下移动，据此可确定台阶的高度（即镀层厚度）。这种方法可用来测量较宽范围的镀层厚度，可测量平面上从0.01μm到1000μm的镀层厚度，测量误差在±10%以下。

常用的轮廓仪有两种类型：①电子触计式仪器，即表面分析仪和表面轮廓记录仪，通常用于测量表面粗糙度，也可用于记录台阶的轮廓；②具有记录针的电子感应比较仪，结构比较简单，也可记录台阶的轮廓。

这两种仪器通常测量镀层厚度的范围是：电子触针式仪器为0.005～250μm，电子感应比较仪为1～1000μm。

6.干涉显微镜法

干涉显微镜法采用与轮廓仪法相同的试样处理方法，即造成基体与镀层之间的台阶，利用多光束干涉测量仪对该台阶的高度进行测量。

干涉测量仪有一个贴于试样用作平面基准板的透镜。当一束单色光在试样上和上述透镜之间来回反射时，就可通过一个低倍显微镜来观察干涉条纹图像。若将基准板相对于待测试样表面稍微倾斜，就会形成一系列平行的干涉条纹线。试样表面的台阶会使干涉条纹偏移。一个条纹间距偏移相当于单色光半个波长的垂直位移，干涉条纹所移动的间距和形状可用带刻度线的目镜测微计来观察和测定。

该方法可用来测量2μm以下、具有高反射率的镀层。

7.磁性测厚仪法

当覆盖层和基体中有一种是磁性金属时，就可以用磁性测厚仪进行测量。目前国内生产的磁性测厚仪仅限于测量磁性金属基体上的非磁性覆盖层的厚度。

该方法测量误差通常为10%，但对较薄镀层误差不会小于1.5μm。它是目前应用最广泛的一种无损测量方法。

（1）测量仪器 测量时，允许选用精度为±10%的不同结构的磁性测厚仪。

（2）测量步骤及注意事项 测量步骤及注意事项如下：

1）测量时，应按仪器使用说明书进行校准和操作。

2）对每种磁性测厚仪，基体金属都要求有一个临界厚度。若基体金属厚度小于临界厚度，测量时应该用与试样材质相同的材料垫在试样下面，使得读数与基体金属厚度无关。

3）一般不应该在弯曲面上和靠近边缘或内角处测量。若要求在这些位置测量时，应该进行特别校准，并引入校正系数。

4）采用双极式探头的仪器时，基体金属的机械加工方向对测量结果有影响。因此，在测量时，应使探头的取向与校准时的取向一致，或将探头在相互成90°角的两个方向上进行两次测量。

5）在粗糙的表面进行测量时，应该在不同点上进行多次测量，取其平均值作为镀层的平均厚度，或者在相同表面状态的未镀覆的基体金属表面上进行校准。

6）测量时，探头要垂直放在试样表面上。对于磁力型仪器，因受地球重力场的影响，故用于水平方向或倒置方向测量时，应该在这种方向进行校准。

7）使用磁力型仪器测量铅和铅合金镀层厚度时，磁体探头能被镀层黏附。遇此情况，可在镀层表面涂上一层薄的油膜，以改善重现性。

8）磷的质量分数在8%以上的化学镀Ni-P合金镀层是非磁性的，但经热处理后便产生磁性。因此，应在热处理前测量厚度。若要在热处理后测量，则仪器应在经过热处理的标准样品上进行校准。

9）镀层厚度小于5μm时，应进行多次测量，然后用统计方法求出其厚度。

8.涡流测厚仪法

涡流测厚仪是利用一个带有高频线圈的探头来产生高频磁场，使置于探头下方的待测试样内产生涡流，这种涡流的振幅和相位是探头和待测试样之间的非导电镀层厚度的函数。镀层厚度可从测量仪器上直接读取。

该方法可测量非磁性金属基体上非导电镀层（如铝阳极氧化膜）、非导体上单层金属镀层，以及非磁性基体与镀层间电导率相差较大的镀（涂）层厚度的测量。影响测量精度的因素与磁性法相似。涡流测厚仪法除了受基体电导率、基体厚度、镀层厚度影响外，还受试样的曲率、表面粗糙度、边缘效应和加在探头上的压力大小的影响。通常测试误差在±10%以内，厚度小于3μm的镀层测量精度偏低。

9.β射线反向散射法

β射线反向散射法的基本工作原理是用放射性同位素释放出的β射线，在射向被测试样后，一部分进入金属的β射线被反射至探测器，被反射的β粒子的强度是被测镀层种类和厚度的函数。因此，从探测器测量由被测镀层反射的β射线的强度，即可换算成被测镀层的厚度。

β射线反向散射法可测量金属或非金属基体上的金属和非金属覆盖层厚度，但主要用于测量薄（2.5μm以下）的贵金属镀层的厚度，测量误差在±10%以内。覆盖层和基体材料的原子序数相差越大，测量精度就越高。一般要求基体和镀层原子序数之差不应小于5。因为β射线测厚仪本身只是一个测量反向散射强度的仪器，它的厚度刻度是通过标准样品的标定得出的，如果被测试样与标准样品的镀层成分、密度、基体物质、表面曲率有差异，则要根据下式修正厚度的读数：

该方法的缺点是使用了各种放射源，对人体健康有害。操作人员应有必要的防护措施，而且仪器的造价也较高。

10.X射线荧光测厚仪法

当X射线照射到一种金属表面时，金属就会产生二次射线。二次射线的频率是金属原子序数的函数，其强度与镀层厚度有一定关系。因此，X射线荧光测厚仪法可用于测定任何金属或非金属基体上约15μm以内的金属镀层的厚度。它可以测量极小的面积和极薄的镀层厚度（百分之几微米）。对平面的、不规则形状的零件也可测量，还可同时测量多层镀层的厚度。在测量镀层厚度的同时，还可以测出二元合金镀层的组分，如Pb-Sn合金镀层的组分。这是一种先进的镀层厚度测定方法。该测量方法的缺点及测量精度的影响因素与β射线反向散射仪法相似。

X射线荧光测厚仪法在下述情况时精度偏低：

1）当基体金属中存在与镀层相同成分或镀层中存在基体金属成分时。

2）镀层多于两层时。

3）当镀层的化学成分与标定样品成分有很大差异时。

X射线荧光测厚仪法适用于测定的常见镀层与基体组合见表10-11，常见镀层的可测定厚度范围见表10-12。

表10-11 X射线荧光测厚仪法适用于测定的常见镀层与基体组合

注：×表示不可测量；√表示可测量。

表10-12 X射线荧光测厚仪法对常见镀层的可测定厚度范围

11.双光束显微镜法

双光束显微镜法使用的仪器主要用于测量表面粗糙度，也可用于测量透明和半透明覆盖层的厚度，特别是铝上的阳极氧化膜。

双光束显微镜的工作原理是：一束以45°入射照射到覆盖层表面的光束，其一部分从覆盖层表面反射回来，另一部分穿透覆盖层并从覆盖层与基体的界面上反射回来。从显微镜的目镜中可以看到两个分离的图像，其距离与覆盖层的厚度成正比。通过调整刻度标尺控制旋钮，可对距离（即厚度）进行测量。

只有当镀层与基体接口上有足够的光线被反射回来时，在显微镜内才能得到清晰的图像，这时才能使用该方法进行厚度测定。

对于透明或半透明的覆盖层，例如阳极氧化膜，该方法是无损的测定方法。为了测量不透明覆盖层的厚度，必须去掉一小块覆盖层，使覆盖层表面和基体之间形成一个能对光束产生折射的台阶，这样才能测量出覆盖层厚度的绝对值。在这种情况下，该方法属于破坏性测试法。该方法的测量误差通常小于10%。

12.镀层厚度测定方法的选择

面对上述诸多的测厚方法，如何科学、合理地选择测定方法，是一个十分重要的问题。国际上最通用的镀层厚度测定方法的适用范围见表10-13。

此外，在选用测厚方法时，还应注意以下几点：

1）贵金属镀层、造价高的大型工件（试样）等应选用无损测厚法。

2）根据测量的是平均厚度还是局部厚度，来选择相应的测试方法。

3）根据欲测镀层的厚度范围，选用不同的测厚方法。

4）注意所选用的测厚方法在国际上是否有通用性，通用性差的应少用或不用。

表10-13 各种厚度测定方法的适用范围

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注：B表示β射线反向散射仪；C表示库仑仪；E表示涡流测厚仪；M表示磁性测厚仪。

①此方法对覆盖层磁导率变化敏感。

②此方法对覆盖层中磷或硼的含量变化敏感。

③此方法对合金的成分敏感。

④铁钴镍合金组分（质量分数）为：镍29%，钴17%，铁54%。