Пензенскийгосударственный университет
Факультетприборостроения и информационной техники
Кафедраметрологии и систем качества
Курсовойпроект
по дисциплинеМетоды и средства контроля
Установкаконтроля толщины гальванического покрытия
Автор:
студентка гр.05ПС1
Нестёркина И.С.
Содержание
Введение
1. Описание основных характеристикобъекта контроля
2. Обзор методов измерения толщиныгальванического покрытия
3. Разработка структурной схемыустановки
3.1 Расчёт погрешности установки иопределение требований к компонентам установки
4. Выбор СИ и вспомогательноеоборудования
5. Расчет контрольных допусков иусловной вероятности ошибки первого рода
Заключение
Список литературы
Приложение А. Задание
Введение
Целью данного курсового проекта являетсяразработка установки контроля толщины гальванического покрытия.
По первой части нужновыполнить обзор методов измерения контролируемого параметра изделия. Далее всоответствии с выбранным методом разработать структурную схему установки,выбрать по справочникам и каталогам вспомогательное оборудование,удовлетворяющее требованиям. Выбранные СИ должны иметь один предел измерения ивыход цифрового кода (должны быть кодоуправляемыми). Рассчитать погрешностьустановки контроля с учетом метрологических характеристик выбранногооборудования. Разработать схему электрического подключения.
Далее необходиморассчитать условную вероятность ошибки первого рода. Расчет вероятностей ошибокпроводиться с помощью графического интегрирования условных плотностейвероятности годных и бракованных изделий.
1. Описаниеосновных характеристик объекта контроля
Гальванические покрытия –это металлические пленочки толщиной от долей мкм до десятых долей мм, наносимыена поверхность металлических и других изделий методом гальваностегии дляпридания им твердости, износостойкости, антикоррозийных, антифрикционных,защитно-декоративных или просто декоративных свойств.
Изменение характеристикповерхностных слоев металлических изделий приобретает все большую актуальность.Растущие требования к надежности оборудования при увеличении нагрузок на него,необходимость в защите деталей от агрессивных сред и очень высоких или,наоборот, низких температур приводят к все возрастающему интересу специалистовк применению гальванических покрытий.
Чаще всего гальваническиепокрытия находят применение в автомобилестроении, авиационной, радиотехническойи электронной промышленности. Но стильный вид и богатая цветовая гамма всовокупности с защитой от неблагоприятного внешнего воздействия привлекают кним внимание и дизайнеров помещений, например, при отделке ручек дверей икарнизов, деталей для ванных комнат. Тонкие (от 3-5 до 10-15 микрон) и прочныеслои хром-алмазных и никель-алмазных гальванических покрытий увеличивают срокслужбы и улучшают качество медицинских, штамповых и прессовых инструментов,деталей узлов трения.
Гальванические покрытияочень разнообразны. При выборе следует учитывать назначение и материал детали,условия ее эксплуатации, назначение и необходимые свойства покрытия, способ егонанесения, допустимость контактов сопрягаемых металлов и экономическуюцелесообразность применения этого покрытия. Гальванические покрытия могутобеспечивать повышенную коррозионную стойкость (цинкованием, кадмированием,лужением, свинцеванием), износостойкость трущихся поверхностей (хромированием,железнением), защитно-декоративную функцию отделки поверхности (меднением,никелированием, хромированием, серебрением, золочением).
Никелирование, нанесениена поверхность изделий никелевого покрытия (толщиной, как правило, от 1-2 до40-50 мкм). Никелированию подвергаются преимущественно изделия из стали исплавов на основе Cu, Zn и Al; реже — изделия из Mg, Ti и сплавов на их основе;разработаны способы нанесения никеля на неметаллической поверхности — керамику,пластмассы, бакелит, фарфор, стекло и др. Никелирование применяется для защитыизделий от коррозии (в атмосферных условиях, в растворах щёлочей, солей ислабых органических кислот), повышения износостойкости деталей, а также взащитно-декоративных целях.
Наиболее распространеныэлектролитическое и химическое никелирование. Чаще никелирование (такназываемое матовое) производится электролитическим способом. Наиболее изучены иустойчивы в работе сернокислые электролиты. При добавлении в электролитспециальных блескообразователей осуществляется так называемое блестящееникелирование. Электролитические покрытия обладают некоторой пористостью,которая зависит от тщательности подготовки поверхности основы и от толщиныпокрытия. Для защиты от коррозии необходимо полное отсутствие пор, поэтомуобычно производят предварительное меднение или наносят многослойное покрытие,которое при равной толщине надёжнее однослойного (например, стальные изделиячасто покрывают по схеме Cu — Ni — Cr). Недостатки электролитическогоникелирования — неравномерность осаждения никеля на рельефной поверхности иневозможность покрытия узких и глубоких отверстий, полостей и т.п. Химическоеникелирование несколько дороже электролитического, но обеспечивает возможностьнанесения равномерного по толщине и качеству покрытия на любых участкахрельефной поверхности при условии доступа к ним раствора. В основе процессалежит реакция восстановления ионов никеля из его солей с помощью гипофосфитанатрия (или др. восстановителей) в водных растворах.
Никелированиеиспользуется, например, для покрытия деталей химической аппаратуры,автомобилей, велосипедов, медицинского инструмента, приборов, предметовдомашнего обихода, измерительного инструмента, клише, стереотипов, а такжедеталей, эксплуатируемых с небольшими нагрузками в условиях сухого трения, ит.д. Никелевые покрытия с течением времени несколько теряют свой первоначальныйблеск. Поэтому часто слой никеля покрывают более стойким слоем хрома.
Никелевое покрытиеявляется катодным по отношению к стали, алюминиевым и цинковым сплавам.Покрытие применяется для защитной, защитно-декоративной отделки деталей,повышения поверхностной твердости, износостойкости и электропроводности.
2. Обзорметодов измерения толщины гальванического покрытия
Существуют два видаметодов контроля толщины покрытий ПП: химические методы и физические методы.
К химическим методам относятся:
Капельный методзаключается в растворении покрытия на заданном участке последовательнонаносимыми каплями растворителя до обнажения подслоя. Точность определениятолщины капельным методом составляет /> %.
Испытания проводятследующим образом.
После тщательноймеханической и химической очистки поверхности контролируемого элемента спомощью капельницы наносят на проверяемый участок платы одну каплюсоответствующего раствора и выдерживают её на поверхности в течение однойминуты.
По истечении этоговремени каплю удаляют фильтровальной бумагой, насухо вытирают и на то же местонаносят следующую каплю свежего раствора. Нанесение капель продолжают дообнажения подслоя, что устанавливается по изменению окраски в месте нанесения капель.
Расчёт толщины покрытияпроизводится по следующей формуле:
/>,
где Q- толщина покрытия на данном участке,мкм; n- количество капель растворителя,израсходованного при испытаниях; /> — толщина покрытия, снимаемаяодной каплей в течение 1 мин.
Составы растворов,применяемых при капельном методе, и значения коэффициента /> приведены в таблице 1.
Таблица 1. Составырастворов, применяемые для определения толщины покрытия капельным методом.Покрытия Подслой Раствор Концентрация раствора, г/л
Коэффициент
/> Медь -
Серебро азотнокислое;
йод металлический
44
100
1,0…1,2
0,5 Серебро Медь Калий йодистый 200 0,5 Никель Медь
Железо хлорное;
медь сернокислая
300
100
0,7
0,7
Струйный методопределения толщины покрытия более точен, чем капельный, и требует меньшевремени. Он имеет следующие варианты: определение толщины по продолжительностидействия раствора и по объёму израсходованного раствора.
Вариант по продолжительностидействия раствора осуществляется методом прямого наблюдения или электроструйнымнуль-методом. Погрешность данного метода /> % при толщинах более 5 мкм.
Сущность струйного методазаключается в определении времени растворения покрытия под действием струираствора, вытекающего из бюретки с определенной скоростью и падающего наконтролируемую поверхность под углом />.Толщину покрытия определяют поформуле
/>,
где Q- толщина покрытия, мкм; q- толщина покрытия, растворяемая за 1с, мкм/с; />-время, затраченное на растворение покрытия, с.
Скорости растворениянекоторых видов покрытий в зависимости от температуры реактива представлены втаблице 2.Точность данного метода />% при толщинах более 5 мкм.
Для определения толщиныпокрытия олово- свинец (сплава типа ПОС), осаждённого гальваническим путём,применяется метод струйного электрохимического растворения. Для проведенияизмерения испытательный элемент заготовки ПП изолируют липкой хлорвиниловойлентой, оставив в точке испытания отверстие диаметром 1,5…2,0 мм для действияструи. Применяемый реактив состоит из борфтористоводородной кислотыконцентрации 142 г/л. К капельнице через платиновую проволочку и киспытательному элементу подключают через амперметр источник постоянного тока.Испытательный элемент выполняет роль анода. Открывая кран капельницы, включаютсекундомер и отсчитывают время, необходимое для растворения слоя покрытия. Токв момент испытания поддерживается равным 10мА. Конец растворения определяетсявизуально по изменению цвета пятна металла, расчёт толщины покрытия производятпо формуле:
/>,
где Q- толщина покрытия олово- свинец,мкм; 0,11- толщина слоя олово- свинец, растворяемая за 1 с при токе 10 мА,мкм/с; />-время, затраченное на растворение покрытия, с.
Таблица 2. Толщинапокрытия q, растворяемого за 1 сТемпература раствора, C медное Покрытия никелевое серебряное 15 0,641 0,333 0,340 18 0,749 0,467 0,380 20 0,926 0,521 0,403 22 1,042 0,575 0,420 25 1,220 0,671 0,450
Точность данного метода />% при толщинахот 2 до30 мкм.
Кулонометрический методоснован на законе Фарадея, согласно которому количество прореагировавшеговещества прямо пропорционально количеству электричества, прошедшего через электрохимическуюсистему. Метод состоит в том, что измеряют количество электричества или времяпрохождения неизменяющегося тока. Исследуемый процесс должен протекать со100%-ным выходом по току. При контроле толщины покрытия в качестве анодаиспользуют небольшой участок поверхности металла известной площади, а всюостальную поверхность изделия закрывают защитным слоем или используютспециальную прижимную ячейку с эластичным наконечником, создающим необходимуюгерметичность зоны контроля и возможность интенсивного обмена электролита уповерхности анода периодическим изменением давления на ячейку.
Гальванопокрытиярастворяют при таком анодном потенциале, при котором не может растворятьсяподложка, тогда резкое увеличение этого потенциала указывает на окончаниереакции. В общем случае, регистрируя изменения анодного потенциала, можнопроходить все слои многослойного покрытия, измеряя их толщину. Если ток вэлектрохимической ячейке поддерживается постоянным, толщина покрытия Q вычисляется по формуле:
/>,
где t- время растворения покрытия; /> - плотностьосаждаемого металла; k- электрохимическийэквивалент; S-площадь рисунка; I- ток, А.
Состав электролитов длякулонометрического метода контроля подбирается так, чтобы предотвратитьбестоковое растворение покрытия.
Кулонометрический методконтроля толщины покрытий хорошо сочетается с электрохимическими методамиколичественного анализа, в частности с хроноамперометрией и полярографией, дляопределения состава покрытия.
3. Разработкаструктурной схемы установки
При измерении толщиныникелевого гальванического покрытия пользуемся кулонометрическим методом.
Этим методом можноизмерять как однослойные, так и многослойные покрытия, на металлических инеметаллических деталях (от 0,1 до 100 мкм). Метод позволяет определить толщинупокрытия с точностью />.
Установка (рисунок 1)состоит из гальванической ячейки 1, стабилизированного источника постоянноготока 2, миллиамперметра 3, включателя 4 и реверсирующего переключателя 5 вэлектрической цепи гальваноячейки. Продолжительность процесса анодногорастворения фиксируют с помощью счётчика.
Гальваническая ячейкапредставляет собой металлический сосуд вместительностью не менее 1 см. Ячейка крепится в системе, обеспечивающей постоянный ее прижим к контролируемой поверхности.Для перемешивания электролита в гальваноячейке применяется фторопластоваялопасть, приводимая во вращательное движение электродвигателем. В качествестабилизированного источника постоянного тока применяется электронныйстабилизатор, обеспечивающий на выходе плавно регулируемую силу тока 0,5- 100мА со стабилизацией, поддерживающей точность />. Для регулировки требуемой силытока в цепи гальваноячейки применяется миллиамперметр с классом точности нениже 0,5.
Электролиты длякулонометрического метода должны обеспечивать анодное растворениеметаллопокрытия со 100%-ным выходом по току в широком диапазоне анодных плотностей;чёткий скачок анодного потенциала не менее 150 мВ в момент перфорации покрытияи обнажения основного материала (подложки); стабильность показаний припрохождении большого количества электричества.
Электрорастворение контролируемогопокрытия толщиной > 5 мкм происходит со скоростью 0,1 мкм/с.
Перед измерением деталиобезжиривают. На выбранном участке детали ставят гальваноячейку и с помощьюспециальной системы обеспечивают постоянный контакт с измеряемой поверхностью.Затем в гальваноячейку заливают необходимое количество электролита и включаютсистему перемешивания. В случае измерения толщины никелевого покрытияреверсирующий переключатель ставят в положение «реверс» и проводят катоднуюобработку в течение 5-10 с. Затем ставят реверсирующий переключатель вположение «работа» и синхронно включают счетчик времени и ток в цепи ячейки.
Эталонные образцы сникелевыми и медными покрытиями должны отвечать следующим требованиям:
1) абсолютная толщина покрытия должнабыть в пределах 15 – 25 мкм;
2) средняя толщина слоя на поверхностивсего эталона должна быть известной с точностью />;
3) разброс значений толщины покрытия наповерхности эталона не должен превышать /> номинального значения.
3.1 Расчёт погрешностиустановки и определение требований к компонентам установки
Толщина гальваническогопокрытия, определяемая кулонометрическим методом, вычисляется по формуле:
/>, где
K=0,73 /> — электрохимический эквивалентникеля;
V=1 />;
H=160 мм- высота гальваническойячейки.
/>
/>;
/>.
/>
Плотность тока />;
/> />
Определяем времярастворения покрытия:
/>где
S- площадь покрытия в />;
Q- заданная толщина слоя никеля в см;
I- сила тока в А;
8,8 – уд. вес никеля в />
1,095 – количество никеляв г;
0,5 – фактический выходпо току.
/>.
/>
Рассчитываем толщинугальванического покрытия:
/>
/>
/>
4. Выбор СИ ивспомогательное оборудования
Измеритель тока –комбинированный прибор типа Ф4852.
Прибор предназначен дляизмерений среднего квадратического значения переменного напряжения, тока и активноймощности в цепях однофазного переменного тока, а также постоянного тока инапряжения постоянного тока.
По устойчивости квоздействию температуры и влажности окружающего воздуха прибор соответствуетГОСТ 12997—76 (группа 3а).
По устойчивости кмеханическим воздействиям и по защищенности от воздействия окружающей средыприбор относится к категории обыкновенных (ГОСТ 12997— 76).
Переменный ток вдиапазоне от 5 до 10 А измеряется с помощью измерительного трансформатора типаИ54М. Максимальное значение измеряемого переменного напряжения 500 В. Приизмерении мощности максимальное значение напряжения 300 В.
Основные техническиехарактеристики комбинированного прибора приведены в табл.2 и ниже.
Таблица 2 – Основныехарактеристики комбинированного прибора Ф4852.Поддиапазон измерений, мА Входное сопротивление, Ом Предел допускаемой основной погрешности δ, % Время измерения, с 100 0,2
/> 0,2
Время установления рабочегорежима не более 30 мин. Время работы без калибровки не менее 8 ч. Времяизмерения не более 2 с.
Выбор и переключениедиапазонов измерений ручной, при измерении постоянного и переменного напряженияручной и дистанционный с помощью управляющих сигналов в двоично-десятичномкоде.
Логической «1»соответствует напряжение от 2,4 до 5,25 В, логическому «0» — от О до 0,4 В.
Режимы работы прибора:ручной, автоматический внутренний и внешний от управляющих сигналов с периодомне менее 2 с амплитудой от 2,4 до 5,25 В при длительности не менее 5 мс.
Внешнее магнитное полечастотой 50 Гц напряженностью до 400 А/м и колебание напряжения питания впределах от 187 до 242 В не вызывают дополнительных погрешностей измерений.
Прибор обеспечивает выводинформации о числовом значении измеряемого параметра в двоично-десятичном коде.Параметры этих сигналов аналогичны параметрам сигналов управления.
Питание прибораосуществляется от сети переменного тока частотой (50 + 1) Гц напряжением 220 Вс допускаемым отклонением от + 10 до —15%. Потребляемая мощность не превышает80 ВА.
Габаритные размерыприбора в стоечном варианте 520 х 160 х 396 мм, в настольном варианте 490 х 170х 396 мм; масса 17 кг.
Наработка на отказ неменее 3000 ч. Средний срок службы не менее 6 лет.
Предел допускаемойдополнительной погрешности измерений не превышает 0,5 δ при отклонениитемпературы окружающего воздуха от (20±2) ºС до любой температуры впределах рабочих температур на каждые 10 К отклонения температуры и приотклонении напряжения питания от 220 В±2% до 220 В±10%.
/>,
/>.
Источник питанияпостоянного тока Б5-70.
Прибор предназначен длявыдачи стабилизированных напряжений и токов различных уровней до 30 В, работаетв режиме стабилизации напряжения и в режиме стабилизации тока, имеет цифровуюиндикацию уровня выходного напряжения и тока и возможность измерения внешнегопостоянного напряжения до 100 В.
Погрешность установкиконтроля толщины проводящего рисунка ПП с учетом метрологических характеристиквыбранных СИ:
/>;
/> (м).
5. Расчет контрольныхдопусков, обеспечивающих при данной погрешности установки контроля нулевой рискпотребителя
Для уменьшениявероятности ошибки второго рода РБГ (риска потребителя) необходимоужесточение допуска, что приводит к увеличению вероятности ошибки первого родаРГБ (увеличению доли брака), но бракование происходит относительноновых границ допуска:
/>м
Расчет условныхвероятностей ошибок первого рода.
Расчет по результатамконтроля проводится с помощью графического интегрирования условных плотностейвероятности годных и бракованных изделий. Плотность вероятности, функцияраспределения погрешности установки и плотности вероятности, годных ибракованных изделий, построенные по данным табл.4, имеют вид, показанный нарис.3
Таблица 4.Q
Qк — Δ
Qк – Δ/2
Qк
Qк + Δ/2
Qк + Δ
18,24 10-6
18,43 10-6
18,62 10-6
18,81 10-6
19 10-6 f(Q) 0,039 0,035 0,032 0,028 0,025 F(Q) 0,25 0,5 0,75 1 f∙F(Q) 0,009 0,016 0,021 0,025 1-F(Q) 1 0,75 0,5 0,25 f∙(1-F(Q)) 0,039 0,026 0,016 0,007
Вероятность ошибкипервого рода (доля фактически годных изделий, которые по результатам контроляпризнаны бракованными):
/>
где /> - условная плотностьвероятности бракованных изделий;
/>
где />.
/>
где />.
/>.
Заключение
В первой части выполненобзор методов измерения толщины гальванического покрытия. Далее в соответствиис выбранным методом разработана структурная схема установки, выбраны посправочникам и каталогам СИ и вспомогательное оборудование, удовлетворяющеетребованиям. Рассчитана погрешность установки контроля с учетом метрологическиххарактеристик выбранного оборудования. Разработана схема электрическогоподключения.
В заключение рассчитана условная вероятность ошибки первогорода: />
Список литературы
1. Шлыков Г.П. Метрологическоеобеспечение и контроль качества. Решение задач: учебное пособие. – Пенза:Изд-во ПГУ, 2003.
2. Измерения в промышленности:Справочник. В 3-х кн. Пер с нем. / Под ред. П. Профоса – М.: металлургия, 1990.
3. Справочник по электроизмерительнымприборам./ Под ред. К.К. Илюнина.- М.: Энергоатомиздат,1983.
4.Вячеславов П.М., Шмелёва Н.М.Контроль электролитов и покрытий.-2-е изд.- Л.: Машиностроение, 1985г. (вып.11).
5. Вансовская К.М. Гальваническиепокрытия: Учебное пособие для технолог. училищ.- Л.: Машиностроение, Ленингр.Отделение,1984г.
6. Мельников П.С. Справочник погальванопокрытиям в машиностроении.- М.: Машиностроение,1979г.
7. ГОСТ 9.302-88 «Единая системазащиты от коррозии и старения. Покрытия металлические и неметаллические неорганические.Методы контроля».
Приложение А
Задание
1 Назначение
Установка предназначенадля контроля толщины никелевого гальванического покрытия на латуникулонометрическим методом по ГОСТ 9.302-88
2 Технические требования
2.1 Номинальное значениетолщины покрытия, мкм 20
2.2 Среднеквадратическоеотклонение толщины покрытия, мкм 2,5
2.3 Допускаемое значениетолщины покрытия, мкм 15
2.4 Приведённаяпогрешность установки, % не более 5
2.5 Условия контролясоответствуют группе 1 по ГОСТ 22261-94 и представлены в таблице 1.
Таблица 1 — Условияконтроля 1 группы по ГОСТ 22261-94.Температура окру-жающего воздуха, ºС Относительная влажность воздуха,% Атмосферное давление, кПа (мм.рт.ст.)
Атмосферное давление для электро
измерительных приборов, кПа (мм.рт.ст.) Напряжение питания СИ от сети переменного тока частотой 50 Гц, В 10-35 80 при 25 ºС
84-106,7
(630-800)
70-106,7
(537-800) 220±22