如何测量覆层厚度？

1.概述

大多数覆层规范均规定有覆层厚度的要求，因为覆层厚度常属覆层使用性能的一重要因素。可用于覆层厚度无损检测的方法可有磁学方法、涡流法、β反散射法、双束干涉显微镜法，此外尚有X射线能谱法、库仑分析法等。

（1）磁学方法用磁学仪器测量的可以是磁铁和覆层或基底或是两者之间的磁吸引力，也可以是测量磁力线通过覆层和基底时的磁阻。

（2）涡流法用涡流仪在探头中产生一高频电流，在试样表面层感生出涡流，涡流的大小则是覆层和基底材料电导率以及覆层厚度的函数。

（3）β反散射法当β质点冲击到材料上时，其中一部分被反向散射，这反向散射实质上与材料的原子序数有关。如果物体表面有一覆层，而基底和覆层材料的原子序数有足够的不同，反向散射的强度将落在两个极限值之间。因此，用合适的仪器如果显示合适，则反向散射的强度可用来测量覆层单位面积的质量；而如果密度保持不变，则与厚度成正比。

（4）双束干涉显微镜可用于测透明覆层的厚度。通过干涉显微镜观察试样表面时，顶面和基底表面被放置得带有白光干涉条纹群。此时，这两表面间的高度差由于白光干涉的显现，可通过单色条纹数目的计数来确定。条纹数除以光的半波长即为膜的厚度。

（5）X射线能谱法是基于覆层和基底与足够能量入射射线的相互作用，可导致二次辐射的发射，这可用于表征覆层和基底的元素组成。此法可用于测量金属和某些非金属覆层的厚度，厚度范围可从0.01μm到75μm，视覆层和基底材料而定。此法也适用于测量覆层和基底的组合。

（6）库仑分析法此法的基础是测量一已知并经精确确定的面积在电解过程中，被测物质（覆层材）在电极上发生化学反应所消耗的电荷量。此法在一非常小（约0.1cm²）的检测面积上破坏覆层，因此，仅限用于能满足此要求的试件。

以下叙述对不同的基底和覆层的组合可行性较大的测厚方法。

2.金属基底上金属覆层厚度的测量

（1）覆层厚度的电位差法测量当用四电极电位差法测量时，当厚度（t）和电极间距离（s）之比小于0.5时，材料电阻率（ρ）、厚度（t）、所产生的电位差（V）和通过的电流值（I）可有以下的关系

对于金属基底上的金属覆层，可出现三种情况：

1）覆层电阻率与基底相同：用电位差法不能解决问题。如果基底相对覆层不厚，整个厚度满足，则有可能检测复合物的总厚度。这得不到覆层厚度的信息，但可检测界面的质量，因为孔隙或脱粘层是非导电的，将导致电位差的很大上升。

2）覆层电阻率小于基底：随着覆层厚度的增加，总的电位差下降。

3）覆层电阻率大于基底：随着覆层厚度的增加，总的电位差上升。典型的例子是用于防腐或防磨损的火焰喷涂覆层。

上面的叙述假设覆层的电阻率并不随厚度的不同而变化，显然这也可能并不真实。影响覆层电阻率的有：成分的变化、缺陷（孔隙、孔洞、夹杂物等）的出现、结合得不好（脱粘等）、厚度的局部改变、试件几何形状的改变等。因此，对于特定的试件，应在特定的参考试件上制作相应的校准曲线。

（2）涡流法测量可用以表征金属上覆层的电导率和厚度，但是当这种技术用于磁性金属时，会出现某些不可靠性。涡流线圈的宽带行为在其接近铁磁表面时，主要取决于非常薄的表面层。这种对表面状态的极度敏感意味着这种测量方法对厚度数量级为微米级的表面覆层是灵敏的，可利用扫频涡流系统（如图11.8-59所示）测量金属基底上的金属覆层厚度（电导率σ、磁导率μ）。此时，基底、覆层或此两者可以是铁磁性的。

图11.8-59 扫频涡流系统方块图

线圈的复阻抗是用阻抗分析仪测量的，在从1kHz到1MHz的范围内，就400个等间距频率进行测量。测量在有覆层的材料上进行得Z_L，在无覆层的基底材料上进行得Z_HSP，两复阻抗的差ΔZ=Z_L-Z_HSP。

基底材料包括钢、镍和铜，覆层准备了纯镍薄片（通过层叠、厚度范围是从0.025mm到0.2mm）、铜薄片（厚度范围为0.025～0.2mm）和锌薄片（厚度范围为0.025～0.4mm）。测量时，将箔放置得与给定的基底良好接触，然后将探头放在箔上。表11.8-3所示为试验中所用覆层和基底的电导率和磁导率。(www.xing528.com)

表11.8-3 试验中所用覆层和基底的电导率和磁导率

金属磁导率的测量是用扫频涡流法进行的，实际测量的结果以理论分析相比较，如图11.8-60所示。这差异是由线圈阻抗和磁性金属之间相互作用的复杂性引起的。如果材料是导电和铁磁性的（σ＞0，μ_r＞1）（如镍、铁、钢成铁素体），则较之非磁性的检测材料，激励线圈的电抗是沿不同的路线变化的。在磁性材料中，磁通量线与路径是缩短了，在线圈中的磁通量密度是增大了；在检测高可透磁的材料时，线圈的电感和感抗大增。但是，如果交流电的频率足够高（高至兆赫级），涡流的影响变得是重要的，净效应是随频率的增加，电感减小。当这两种效应平衡时，出现零相交，这就对μ/σ比提供一灵敏的测量。如果电导率是已知的，对于均匀半空间模型，可准确预示磁导率。

图11.8-60 金属磁导率的测量

注：当从金属转向空气时，线圈阻抗变化的计算值与实测值的比较。就不同的初始磁导率进行了理论计算，阻抗零相交处的频率成比例于初始磁导率。

图11.8-61 在钢基底上对不同厚度锌箔作扫频涡流测量时，理论值和实测值的比较

图11.8-61所示为在钢基底上对不同厚度锌箔作扫频涡流测量时，理论值和实测值的比较。结果表明，扫频涡流信号的关键特性是峰高、峰频率和零相交频率。图11.8-62a所示为在阻抗变化实部（ReΔZ）所测得的零相交频率与覆层厚度的关系，图11.8-62b所示为推断厚度与实测厚度的比较。

（3）X射线光谱法（Spectrometric Method）是金属基底金属覆层厚度的一种非接触无损测量方法，可同时测量一些三层体系，参阅GB/T 16921—2005《金属覆盖层覆盖层厚度测量X射线光谱方法》。

3.非磁性金属基底上非导电覆层厚度的测量——涡流法

用涡流仪器无损测量在非磁性基底金属上非导电覆层的厚度，特别适用于测量在铝合金上阳极化覆层的厚度，但对化学转换覆层因其太薄而不适用。仪器测量在基底金属中感生涡流的线圈视在阻抗的变化，仪器应是由于线圈到基底金属间隔改变所产生的视在阻抗的变化。经用校准标准件校准，可指示出覆层的厚度。

参阅GB/T 4957—2003《非磁性基体金属上非导电覆盖层 履盖层厚度测量 涡流法》

4.磁性金属基底—非磁性覆层厚度的测量

可参阅GB/T 4956—2003《磁性基体上非磁性覆盖层覆 盖层厚度测量 磁性法》。

5.磁性和非磁性基底上电镀镍层厚度的磁学法测量

可参阅GB/T 13744—1992《磁性和非磁性基体上镍电镀层厚度的测量》。

6.磁性和非磁性金属基底上，金属和非金属覆层厚度的测量——β反向散射法

该测量方法测量的是每单位面积覆层的质量，如果这覆层的密度是已知的，则可用厚度来表示。本测量方法仅是在覆层和基底的原子序数或当量原子序数有适当数量的相差时方可使用。作为经验法则，对于大多数的应用，原子序数的相差至少为5。

图11.8-62 用扫频涡流法评估覆层厚度