球坑测厚仪 【技术领域】
本发明涉及一种镀层厚度测量仪器，属于材料测试技术领域。
背景技术
镀层厚度是镀层材料的基本特征。目前测量镀层厚度有电学、光学、机械等多种方式，但各具优缺点。有的只能测导电或光学镀层，有的只能测量厚度较大的镀层，且大多只能测量单层镀层的厚度。当多层镀层叠合在一起时，现有的测量方式大多显得无能为力，给科研工作以及生产经营带来较大影响。
【发明内容】
本发明的目的是克服上述背景技术的不足，提供一种镀层厚度测量仪，该测量仪应能同时测量各种镀层的厚度，具有检测精确快速、测量形象直观、操作简单方便的特点，以满足实验研究及镀层生产现场测量要求。
本发明提供的技术方案是：球坑测厚仪，由机械研磨单元和检测单元组成；所述的机械研磨单元包括一水平定位在底座上且由电机驱动的转轴、一定位在底座上用于固定被测样品的试样架以及可转动地定位在转轴与试样架之间且由转轴驱动的磨球；所述的检测单元包括一光学显微镜。
所述的转轴中部制有一环绕圆周面的用于磨球定位的凹槽，所述的试样架倾斜设置在转轴一侧，试样架上设有长槽以及定位在长槽中用于固定被测样品的紧固件；所述的磨球由凹槽的两侧槽边以及被测样品支撑，并由转轴摩擦驱动。
所述的试样架定位在一滑动座上，滑动座则通过一直线导轨可滑动地定位在底座上，导轨伸展方向与转轴轴线垂直；另有一竖直固定在底座上的支架以及一水平定位在支架上的可调螺栓，该可调螺栓穿越过支架上相配合的螺孔之后，其前端又与滑动座铰接，铰接点的转动轴线与可调螺栓同轴。
所述的滑动座上制有与试样架底端相适合的直槽，滑动座的竖板上通过螺纹结构水平定位一调节螺栓；所述试样架的底端嵌入所述的直槽中，试样架的背面受调节螺栓顶端的顶压支撑。
所述导轨的伸展方向、可调螺栓的轴线以及调节螺栓的轴线均相互平行。
所述凹槽的横截面是矩形。
所述磨球上还涂抹有研磨膏。
本发明的原理是用机械的方法在被测镀层表面磨出一个圆坑，运用光学显微镜测定磨坑几何参数，获取的各层圆球坑直径，在已知磨球直径前提下运用几何关系计算出镀层厚度的一种方法。
球坑法镀层测厚仪器的几何学原理为：
图1、图2表示样品基体6上有镀层的球坑断面，若两个界面分别对应的直径为D和d，令基体上磨出的坑的深度为t1，镀层膜厚为t2，已知磨球3直径为Rb；图中：
H1=[Rb2-(D/2)2]1/2]]>H2=[Rb2-(d/2)2]1/2]]>
根据三角勾股定理得：
Rb2-(d2)2=(Rb-t1)2]]>
Rb2-(D2)2=[Rb-(t1+t2)]2]]>
整理得：
(1),(d2)2=2Rbt1-t12]]>
(2),(D2)2=2Rb(t1+t2)-(t1+t2)2]]>
一般情况下，t1、t2？Rb，忽略二次项得
t1=(d2)22Rb---(3)]]>
所以：t2=(D2)2-(d2)22Rb=(D2-d2)(D2+d2)2Rb---(4)]]>
根据上述简化公式可以快速计算得到镀层厚度t2，对于多层结构镀层，也可以通过上述几何原理推导得出。
本发明的有益效果是：
(1)可用于分析包括单层、多层膜层以及复合镀层在内的镀层厚度。
(2)磨出的弧形截面也可于用其他技术，如俄歇谱仪或扫描电镜，对镀层的组织、结构、成分进行沿深度分析。
(3)测量精度较高，测量方式形象直观，操作简单方便且实用性强，能满足实际应用的需要。
【附图说明】
图1是在样品基体镀层上的球坑的主视结构示意图。
图2是图1中的A-A向剖视结构示意图。
图3是球坑测厚仪的主视结构示意图。
图4是球坑测厚仪的左视结构示意图。
图5是球坑测厚仪电气控制线路示意图。
图6、图7、图8分别是本发明实施例一、二所述的多层结构镀层的总厚度及每层厚度测量用球坑照片。
图9是本发明实施例三所述通过球坑法显示镀层与基体界面的结合失效用照片。
【具体实施方式】
球坑侧厚仪的机械研磨单元的主要结构如图3、图4所示：水平布置的转轴1由固定在底座12上地支座9支撑(通过滚动轴承定位在支座)，并由电机4(通常是伺服电机)驱动；被测样品7置于试样架2上，通过固定螺栓固定(试样架上制有长槽，另有固定螺栓穿过长槽将被测样品7固定；图中固定螺栓及长槽均省略)。
试样架2定位于滑动座8上；具体定位结构是：滑动座的竖板8-1上制有螺纹孔，调节螺栓5旋入该螺纹孔并水平穿越过该竖板8-1；滑动座8的上表面还制有一直槽8-11，直槽伸展方向与转轴平行；试样架的底端嵌入直槽8-11中，试样架的背面受调节螺栓5顶端的顶压支撑；显然，旋转调节螺栓，试样架2就能绕直槽中心线转动，从而使其倾角得到调节。
滑动座8的底端通过一直线导轨(图中显示的导轨是燕尾槽结构，也可选用其它常规结构)可滑动地定位在底座12上，导轨伸展方向与转轴轴线垂直；支架11竖直固定在底座12上，可调螺栓10则与支架上的螺孔相配合，并水平穿越后定位在该支架上；可调螺栓的前端又与滑动座的竖板8-1铰接，铰接点的转动轴线与可调螺栓同轴(图中可知：可调螺栓的前端直接穿过竖板8-1的销孔后，再用卡簧箍扎在可调螺栓伸出端的圆周面)。这样，旋转可调螺栓10，就能带动滑动座8沿着直线导轨运动(靠近转轴或离开转轴)，进而使得磨球3与被测样品7的接触点发生变化。
所述转轴1的中部制有一环绕圆周面的凹槽1-1(推荐选用横截面为矩形的凹槽；其它横截面形状的凹槽也可使用)，磨球3与该凹槽形状相适合(磨球3嵌入凹槽中后，应同时与凹槽的两侧槽边相接触)；所述的磨球3由凹槽1-1以及被测样品支撑，一定直径的钢制磨球3由转轴施加的摩擦力驱动，在样品表面进行滚动，在添加一定粒度的研磨膏(研磨膏可外购)条件下，经过一段时间的研磨，样品表面就被磨出一定直径的圆坑。
显然，所述凹槽的两侧槽边之间的距离小于磨球的直径；所述的磨球与凹槽任一槽边的摩擦接触点，至磨球与被测样品摩擦接触点的距离小于磨球的直径。
被测厚度可根据金相显微镜测得的数据D和d，代入公式(4)计算，即可获得被测镀层的厚度。
公式的计算也可通过软件进行；该软件可由普通软件技术人员编写，在此不再一一叙述。
所述检测单元中的光学显微镜(一般用金相显微镜)可直接外购获得。
图5为球坑测厚仪电气线路原理图。其电气控制线路由一个直流电源、一个定时器、一个调速旋扭和若干开关和指示灯连接而成。外接220V交流电，通过开关进行通断；经交流电直接给定时器系统供电；通过开关电源转换成24V直流作为电机的电源，24V直流电上接有启停开关、暂停开关、继电器和指示灯，通过调节调速板的电阻来调整电机转速。显然，这是一个简单的基本电路，普通电气技术人员即能设计制作。
图5中的元器件标号为：10-时间继电器，11-运行指示灯，12-保险，13-电源启动开关，14-电源指示灯，15-变压器，16-时间继电器(常闭触点)，17-启/停开关，18-电路块，19-调速器，20-马达。此外，L为电源线，N为零线，Pe为接地线。
本发明可对平面、柱状及球状的表面磨出磨坑进行测试。如测量大试件，可借助试样架上预留的长槽进行固定。还可根据不同的需要选择不同材料的磨球，如碳化钨、刚玉等。对于较厚的镀层，宜选择直径较小的磨球。
【实施例一】应用球坑测厚仪测量多层结构镀层的总厚度。
图6为复合三层TiN+TiCN+DLC镀层磨坑的形貌；采用金相显微镜测量出图中的尺寸d和y，根据镀层厚度计算公式(4)，以及与尺寸d和y的关系可推导出三层的总厚度t：
【实施例二】应用球坑测厚仪测量某一层镀层的厚度。
图7、图8分别为三层结构的镀层，每一层镀层的厚度采用金相显微镜从同一球坑中分别测得，在图中取不同的d和y值可测得每一镀层的厚度：
每一层厚度
【实施例三】应用球坑测厚仪分析镀层界面失效。
图9金相照片上的箭头所指区域附近用球坑仪磨出一圆坑；通过形貌可以判断箭头所指区域已经是镀层样品的基体，因此表明此处为镀层已经从基体上剥落，最终可判断为镀层与基体结合界面失效。