專利名稱：球坑測(cè)厚儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鍍層厚度測(cè)量?jī)x器，屬于材料測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鍍層厚度是鍍層材料的基本特征。目前測(cè)量鍍層厚度有電學(xué)、光學(xué)、機(jī)械等多種方 式，但各具優(yōu)缺點(diǎn)。有的只能測(cè)導(dǎo)電或光學(xué)鍍層，有的只能測(cè)量厚度較大的鍍層，且大多只 能測(cè)量單層鍍層的厚度。當(dāng)多層鍍層疊合在一起時(shí)，現(xiàn)有的測(cè)量方式大多顯得無(wú)能為力，給 科研工作以及生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)帶來(lái)較大影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述背景技術(shù)的不足，提供一種鍍層厚度測(cè)量?jī)x，該測(cè)量?jī)x 應(yīng)能同時(shí)測(cè)量各種鍍層的厚度，具有檢測(cè)精確快速、測(cè)量形象直觀、操作簡(jiǎn)單方便的特點(diǎn)， 以滿足實(shí)驗(yàn)研究及鍍層生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量要求。 本發(fā)明提供的技術(shù)方案是球坑測(cè)厚儀，由機(jī)械研磨單元和檢測(cè)單元組成；所述 的機(jī)械研磨單元包括一水平定位在底座上且由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)軸、一定位在底座上用于固定 被測(cè)樣品的試樣架以及可轉(zhuǎn)動(dòng)地定位在轉(zhuǎn)軸與試樣架之間且由轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)的磨球；所述的檢 測(cè)單元包括一光學(xué)顯微鏡。 所述的轉(zhuǎn)軸中部制有一環(huán)繞圓周面的用于磨球定位的凹槽，所述的試樣架傾斜設(shè) 置在轉(zhuǎn)軸一側(cè)，試樣架上設(shè)有長(zhǎng)槽以及定位在長(zhǎng)槽中用于固定被測(cè)樣品的緊固件；所述的 磨球由凹槽的兩側(cè)槽邊以及被測(cè)樣品支撐，并由轉(zhuǎn)軸摩擦驅(qū)動(dòng)。 所述的試樣架定位在一滑動(dòng)座上，滑動(dòng)座則通過(guò)一直線導(dǎo)軌可滑動(dòng)地定位在底座 上，導(dǎo)軌伸展方向與轉(zhuǎn)軸軸線垂直；另有一豎直固定在底座上的支架以及一水平定位在支 架上的可調(diào)螺栓，該可調(diào)螺栓穿越過(guò)支架上相配合的螺孔之后，其前端又與滑動(dòng)座鉸接，鉸 接點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線與可調(diào)螺栓同軸。 所述的滑動(dòng)座上制有與試樣架底端相適合的直槽，滑動(dòng)座的豎板上通過(guò)螺紋結(jié)構(gòu) 水平定位一調(diào)節(jié)螺栓；所述試樣架的底端嵌入所述的直槽中，試樣架的背面受調(diào)節(jié)螺栓頂 端的頂壓支撐。 所述導(dǎo)軌的伸展方向、可調(diào)螺栓的軸線以及調(diào)節(jié)螺栓的軸線均相互平行。
所述凹槽的橫截面是矩形。
所述磨球上還涂抹有研磨膏。 本發(fā)明的原理是用機(jī)械的方法在被測(cè)鍍層表面磨出一個(gè)圓坑，運(yùn)用光學(xué)顯微鏡測(cè) 定磨坑幾何參數(shù)，獲取的各層圓球坑直徑，在已知磨球直徑前提下運(yùn)用幾何關(guān)系計(jì)算出鍍 層厚度的一種方法。 球坑法鍍層測(cè)厚儀器的幾何學(xué)原理為 圖1、圖2表示樣品基體6上有鍍層的球坑斷面，若兩個(gè)界面分別對(duì)應(yīng)的直徑為D 和d，令基體上磨出的坑的深度為t"鍍層膜厚為t2，已知磨球3直徑為Rb ;圖中




Hl二[R:-(D/2ft"2H2^R^(d/2)2]〃2
根據(jù)三角勾股定理得
乂
(i)
(2)
一般情況下，v
(*)2=2K2
t2 Rb，忽略二次項(xiàng)得
2^
(3) 所以/
I* (f fx} *
2及6 2^
(4) 根據(jù)上述簡(jiǎn)化公式可以快速計(jì)算得到鍍層厚度^，對(duì)于多層結(jié)構(gòu)鍍層，也可以通
過(guò)上述幾何原理推導(dǎo)得出。 本發(fā)明的有益效果是 (1)可用于分析包括單層、多層膜層以及復(fù)合鍍層在內(nèi)的鍍層厚度。
(2)磨出的弧形截面也可于用其他技術(shù)，如俄歇譜儀或掃描電鏡，對(duì)鍍層的組織、
結(jié)構(gòu)、成分進(jìn)行沿深度分析。 (3)測(cè)量精度較高，測(cè)量方式形象直觀，操作簡(jiǎn)單方便且實(shí)用性強(qiáng)，能滿足實(shí)際應(yīng) 用的需要。


圖1是在樣品基體鍍層上的球坑的主視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是圖1中的A-A向剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是球坑測(cè)厚儀的主視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是球坑測(cè)厚儀的左視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是球坑測(cè)厚儀電氣控制線路示意圖。 圖6、圖7、圖8分別是本發(fā)明實(shí)施例一、二所述的多層結(jié)構(gòu)鍍層的總厚度及每層厚 度測(cè)量用球坑照片。 圖9是本發(fā)明實(shí)施例三所述通過(guò)球坑法顯示鍍層與基體界面的結(jié)合失效用照片。
具體實(shí)施例方式
球坑側(cè)厚儀的機(jī)械研磨單元的主要結(jié)構(gòu)如圖3、圖4所示水平布置的轉(zhuǎn)軸1由固 定在底座12上的支座9支撐(通過(guò)滾動(dòng)軸承定位在支座)，并由電機(jī)4 (通常是伺服電機(jī)) 驅(qū)動(dòng)；被測(cè)樣品7置于試樣架2上，通過(guò)固定螺栓固定(試樣架上制有長(zhǎng)槽，另有固定螺栓 穿過(guò)長(zhǎng)槽將被測(cè)樣品7固定；圖中固定螺栓及長(zhǎng)槽均省略)。 試樣架2定位于滑動(dòng)座8上；具體定位結(jié)構(gòu)是滑動(dòng)座的豎板8-1上制有螺紋孔， 調(diào)節(jié)螺栓5旋入該螺紋孔并水平穿越過(guò)該豎板8-l ;滑動(dòng)座8的上表面還制有一直槽8-11， 直槽伸展方向與轉(zhuǎn)軸平行；試樣架的底端嵌入直槽8-11中，試樣架的背面受調(diào)節(jié)螺栓5頂 端的頂壓支撐；顯然，旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺栓，試樣架2就能繞直槽中心線轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使其傾角得到 調(diào)節(jié)。 滑動(dòng)座8的底端通過(guò)一直線導(dǎo)軌(圖中顯示的導(dǎo)軌是燕尾槽結(jié)構(gòu)，也可選用其它 常規(guī)結(jié)構(gòu))可滑動(dòng)地定位在底座12上，導(dǎo)軌伸展方向與轉(zhuǎn)軸軸線垂直；支架11豎直固定在 底座12上，可調(diào)螺栓10則與支架上的螺孔相配合，并水平穿越后定位在該支架上；可調(diào)螺 栓的前端又與滑動(dòng)座的豎板8-l鉸接，鉸接點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線與可調(diào)螺栓同軸(圖中可知可調(diào) 螺栓的前端直接穿過(guò)豎板8-l的銷孔后，再用卡簧箍扎在可調(diào)螺栓伸出端的圓周面)。這 樣，旋轉(zhuǎn)可調(diào)螺栓IO，就能帶動(dòng)滑動(dòng)座8沿著直線導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)(靠近轉(zhuǎn)軸或離開(kāi)轉(zhuǎn)軸)，進(jìn)而 使得磨球3與被測(cè)樣品7的接觸點(diǎn)發(fā)生變化。 所述轉(zhuǎn)軸1的中部制有一環(huán)繞圓周面的凹槽1-1 (推薦選用橫截面為矩形的凹槽；
其它橫截面形狀的凹槽也可使用)，磨球3與該凹槽形狀相適合(磨球3嵌入凹槽中后，應(yīng)
同時(shí)與凹槽的兩側(cè)槽邊相接觸)；所述的磨球3由凹槽l-l以及被測(cè)樣品支撐，一定直徑的
鋼制磨球3由轉(zhuǎn)軸施加的摩擦力驅(qū)動(dòng)，在樣品表面進(jìn)行滾動(dòng)，在添加一定粒度的研磨膏(研
磨膏可外購(gòu))條件下，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的研磨，樣品表面就被磨出一定直徑的圓坑。 顯然，所述凹槽的兩側(cè)槽邊之間的距離小于磨球的直徑；所述的磨球與凹槽任一
槽邊的摩擦接觸點(diǎn)，至磨球與被測(cè)樣品摩擦接觸點(diǎn)的距離小于磨球的直徑。 被測(cè)厚度可根據(jù)金相顯微鏡測(cè)得的數(shù)據(jù)D和d，代入公式(4)計(jì)算，即可獲得被測(cè)
鍍層的厚度。
公式的計(jì)算也可通過(guò)軟件進(jìn)行；該軟件可由普通軟件技術(shù)人員編寫(xiě)，在此不再
一一敘述。 所述檢測(cè)單元中的光學(xué)顯微鏡( 一般用金相顯微鏡)可直接外購(gòu)獲得。
圖5為球坑測(cè)厚儀電氣線路原理圖。其電氣控制線路由一個(gè)直流電源、一個(gè)定時(shí) 器、一個(gè)調(diào)速旋扭和若干開(kāi)關(guān)和指示燈連接而成。外接220V交流電，通過(guò)開(kāi)關(guān)進(jìn)行通斷；經(jīng) 交流電直接給定時(shí)器系統(tǒng)供電；通過(guò)開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換成24V直流作為電機(jī)的電源，24V直流電 上接有啟停開(kāi)關(guān)、暫停開(kāi)關(guān)、繼電器和指示燈，通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)速板的電阻來(lái)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。顯 然，這是一個(gè)簡(jiǎn)單的基本電路，普通電氣技術(shù)人員即能設(shè)計(jì)制作。 圖5中的元器件標(biāo)號(hào)為10-時(shí)間繼電器，11-運(yùn)行指示燈，12-保險(xiǎn)，13-電源啟動(dòng) 開(kāi)關(guān)，14-電源指示燈，15-變壓器，16-時(shí)間繼電器(常閉觸點(diǎn))，17-啟/停開(kāi)關(guān)，18-電路 塊，19-調(diào)速器，20-馬達(dá)。此夕卜，L為電源線，N為零線，Pe為接地線。 本發(fā)明可對(duì)平面、柱狀及球狀的表面磨出磨坑進(jìn)行測(cè)試。如測(cè)量大試件，可借助試 樣架上預(yù)留的長(zhǎng)槽進(jìn)行固定。還可根據(jù)不同的需要選擇不同材料的磨球，如碳化鎢、剛玉
5等。對(duì)于較厚的鍍層，宜選擇直徑較小的磨球。實(shí)施例一應(yīng)用球坑測(cè)厚儀測(cè)量多層結(jié)構(gòu)鍍層的總厚度。
圖6為復(fù)合三層TiN+TiCN+DLC鍍層磨坑的形貌；采用金相顯微鏡測(cè)
D-d)
寸d和y，根據(jù)鍍層厚度計(jì)算公式(4)，以及與尺寸d和y的關(guān)系 層的總厚度t:
鍍層總厚度t =
y = ■
2
t出圖中的尺 ，可推導(dǎo)出三
y(d + y)
磨球直徑
實(shí)施例二應(yīng)用球坑測(cè)厚儀測(cè)量某一層鍍層的厚度。 圖7、圖8分別為三層結(jié)構(gòu)的鍍層，每一層鍍層的厚度采用金相顯微鏡從同一球坑 中分別測(cè)得，在圖中取不同的d和y值可測(cè)得每一鍍層的厚度
y(d + y)
每一層厚度t:
磨球直徑。
實(shí)施例三應(yīng)用球坑測(cè)厚儀分析鍍層界面失效。
圖9金相照片上的箭頭所指區(qū)域附近用球坑儀磨出一圓坑；通過(guò)形貌可以判斷箭 頭所指區(qū)域已經(jīng)是鍍層樣品的基體，因此表明此處為鍍層已經(jīng)從基體上剝落，最終可判斷 為鍍層與基體結(jié)合界面失效。
權(quán)利要求
球坑測(cè)厚儀，由機(jī)械研磨單元和檢測(cè)單元組成；所述的機(jī)械研磨單元包括一水平定位在底座(12)上且由電機(jī)(4)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)軸(1)、一定位在底座上用于固定被測(cè)樣品的試樣架(2)以及可轉(zhuǎn)動(dòng)地定位在轉(zhuǎn)軸與試樣架之間且由轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)的磨球(3)；所述的檢測(cè)單元包括一光學(xué)顯微鏡。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的球坑測(cè)厚儀，其特征在于所述的轉(zhuǎn)軸(1)中部制有一環(huán)繞圓 周面的用于磨球定位的凹槽(l-l)，所述的試樣架(2)傾斜設(shè)置在轉(zhuǎn)軸一側(cè)，試樣架上設(shè)有 長(zhǎng)槽以及定位在長(zhǎng)槽中用于固定被測(cè)樣品的緊固件；所述的磨球由凹槽的兩側(cè)槽邊以及被 測(cè)樣品支撐，并由轉(zhuǎn)軸摩擦驅(qū)動(dòng)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的球坑測(cè)厚儀，其特征在于所述的試樣架(2)定位在一 滑動(dòng)座(8)上，滑動(dòng)座則通過(guò)一直線導(dǎo)軌可滑動(dòng)地定位在底座(12)上，導(dǎo)軌伸展方向與轉(zhuǎn) 軸軸線垂直；另有一豎直固定在底座上的支架(11)以及一水平定位在支架上的可調(diào)螺栓 (IO)，該可調(diào)螺栓穿越過(guò)支架上相配合的螺孔之后，其前端又與滑動(dòng)座(8)鉸接，鉸接點(diǎn)的 轉(zhuǎn)動(dòng)軸線與可調(diào)螺栓同軸。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的球坑測(cè)厚儀，其特征在于所述的滑動(dòng)座(8)上制有與試樣架 底端相適合的直槽(8-ll)，滑動(dòng)座的豎板(8-1)上通過(guò)螺紋結(jié)構(gòu)水平定位一調(diào)節(jié)螺栓(5); 所述試樣架的底端嵌入直槽(8-11)中，試樣架的背面受調(diào)節(jié)螺栓(5)頂端的頂壓支撐。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的球坑測(cè)厚儀，其特征在于所述導(dǎo)軌的伸展方向、可調(diào)螺栓 (10)的軸線以及調(diào)節(jié)螺栓(5)的軸線均相互平行。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的球坑測(cè)厚儀，其特征在于所述凹槽(1-1)的橫截面是矩形。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的球坑測(cè)厚儀，其特征在于所述磨球(3)上還涂抹有研磨膏。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鍍層厚度測(cè)量?jī)x器，屬于材料測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域。目的是提供提供一種鍍層厚度測(cè)量?jī)x，該測(cè)量?jī)x具有檢測(cè)精確快速、測(cè)量形象直觀、操作簡(jiǎn)單方便的特點(diǎn)。本發(fā)明的技術(shù)方案球坑測(cè)厚儀，由機(jī)械研磨單元和檢測(cè)單元組成；所述的機(jī)械研磨單元包括一水平定位在底座上且由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)軸、一定位在底座上用于固定被測(cè)樣品的試樣架以及可轉(zhuǎn)動(dòng)地定位在轉(zhuǎn)軸與試樣架之間且由轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)的磨球；所述的檢測(cè)單元包括一光學(xué)顯微鏡。
文檔編號(hào)G01B11/06GK101701795SQ20091015378
公開(kāi)日2010年5月5日 申請(qǐng)日期2009年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月9日
發(fā)明者周仔麒, 周慶榮, 孫海林 申請(qǐng)人:浙江匯錦梯爾鍍層科技有限公司