張小塔,范 純,任玉苓,張廣政

(寶山鋼鐵股份有限公司 1.制造管理部,上海 201900;2.冷軋廠,上海 201900)

1 概述

涂層厚度是彩涂板產(chǎn)品檢測中一個非常重要的指標,它直接影響產(chǎn)品的其他性能,包括耐劃傷性、硬度、耐腐蝕性、耐老化性[1]等各項指標。所以,彩涂板生產(chǎn)企業(yè)涂層厚度的準確測量和控制意義十分重大。

目前,國內(nèi)外彩涂板涂層厚度的檢測方法主要有五種(GB/T 13448—2019 彩色涂層鋼板及鋼帶試驗方法),即磁性測厚儀法、千分尺法、鉆孔破壞式顯微觀察法、金相顯微鏡法和磁性—渦流儀法,幾種檢測方法比較[2]見表1。從表1可以看出,這幾種檢測方法的檢測精度約為2 μm,基本為同一水平;金相顯微鏡法和千分尺法檢測速度比較慢,檢測效率低,不能很好滿足工業(yè)化快速檢測的需求;除磁性測厚儀法和磁性—渦流儀法外,其他三種方法檢測時均破壞涂層;在具體檢測過程中,這五種檢測方法均有局限性。目前,千分尺法和磁性—渦流儀法在寶鋼股份公司檢化驗中心應(yīng)用比較廣泛。但是,隨著時代的發(fā)展,這兩種檢測方法不能很好滿足彩涂機組對涂層厚度工藝控制的精度需求和速度需求。所以,探索彩涂板涂層厚度又準又快的檢測方法,是檢測技術(shù)人員當務(wù)之急的工作。

表1 彩涂板涂層厚度檢測方法的比較Table 1 Comparison of detection methods for coating thickness of color coated plates

涂層厚度先進的檢測技術(shù)包括β射線法、X射線法、紅外光譜法、激光法和光干涉法等。其中β射線法和X射線法通過對涂層中某一特征元素含量的測定來計算涂層厚度,對于涂料配方不固定的彩涂板來說不適用[2];紅外光譜方法必須對每一種涂料每一種顏色制定標定方法,對于顏色眾多的彩涂板來說,測量方法制定非常繁雜,可操作性比較低,而且該方法的檢測數(shù)據(jù)波動比較大;激光法是一種破壞式的方法,對檢測點涂層造成損傷,檢測精度也不高。本文重點研究光干涉法在彩涂板涂層厚度檢測中的應(yīng)用。

2 光干涉法的應(yīng)用及原理

2.1 光干涉法的應(yīng)用

光干涉法在潤滑油膜厚度測量[3],玻璃或玻璃薄膜厚度測量[4-6],透明電極薄膜[7]、透明塑料共擠制品每層厚度測量[8]等方面都有較為廣泛應(yīng)用或研究。

光干涉法測定彩涂板涂層厚度,目前已經(jīng)在美國、德國、意大利等發(fā)達國家比較大的彩涂板生產(chǎn)企業(yè)中開始嘗試投入使用,包括安米、塔塔等國際知名大型鋼鐵公司。

中國國內(nèi)的彩涂板生產(chǎn)企業(yè),目前沒有采用干涉法進行彩涂板涂層厚度的檢測,這主要有兩方面原因:首先,該技術(shù)前幾年剛剛突破在彩涂板涂層厚度檢測的技術(shù)瓶頸;其次,與其他涂層厚度檢測設(shè)備相比,該設(shè)備價格比較昂貴。

從檢測標準角度來說,近兩年國外有兩個標準將光干涉法納入涂層厚度的檢測方法。檢測標準ISO 2808:2019《涂料和清漆 膜厚度的測定》,2019版換版時新增加了光干涉法(6C條款),由于白光干涉法在涂層厚度檢測尚未廣泛應(yīng)用,不同的設(shè)備廠家具體應(yīng)用和軟件算法具有自己的特色,所以該標準僅介紹了測定原理,未對具體應(yīng)用進行規(guī)定。ASTM D8331/D8331M-20《Standard Test Method for Measurement of Film Thickness of Thin-Film Coatings by Non-Destructive Means Using Ruggedized Optical Interference》第1版于2020年生效實施,標準中指出,測定涂層厚度的重復(fù)性為0.5 μm,再現(xiàn)性為1.5 μm。該ASTM檢測標準就是在美國SpecMerix光干涉測厚儀應(yīng)用的基礎(chǔ)上編制的,近兩年該設(shè)備進行了升級換代,檢測精度由原來的3%提高至1%,可測的彩涂板厚度可達75 μm,檢測時間不超過0.5 min。本文對光干涉在彩涂板涂層厚度測定的應(yīng)用研究,也是基于這款設(shè)備進行的。

2.2 光干涉法的原理

光干涉法采用可見光或者近紅外光線檢測中的光干涉原理,檢測過程中不破壞涂層,對人體無害,且對涂層品種和顏色敏感性低。該檢測方法的原理見圖1和圖2[9]。當光束照射在覆蓋涂層的試樣上,部分光線會從試樣表面反射出去,部分光線在有機涂層內(nèi)發(fā)生折射,經(jīng)折射的部分光束又會再次從基板反射出去。這兩束反射光振動頻率相同、振動方向相同、相位差恒定,就會形成干涉光譜[10]。

圖1 光干涉示意圖Fig.1 Schematic diagram of optical interference

圖2 光干涉光路圖Fig.2 Light path diagram of optical interference

根據(jù)圖2的有機涂層的光干涉光路圖,得到A1和A2兩束光的干涉相位差[9]見式(1):

(1)

式中:λ為光波波長;d為涂層薄膜的厚度;n為涂層薄膜的折射率;β為光束在涂層下表面的反射角。其中β的大小與入射角α和涂層薄膜折射率n有關(guān),當入射角α為0°時,即光束垂直試樣表面照射,SpecMerix光干涉測厚儀就是這種光束照射角度,則β=α=0°。所以,該干涉法測定的彩涂板涂層厚度,與涂層折射率、光波波長等因素有關(guān)。

當SpecMerix干涉測厚儀探頭接收到光譜圖數(shù)據(jù)之后,傳輸至計算機系統(tǒng),就會自動對干涉條紋進行分析,反推出涂層厚度d。經(jīng)多次重復(fù)計算,排除噪聲干擾后,最后可得出一個誤差在1%左右的精確數(shù)值,這是光干涉法測定彩涂板涂層厚度的最大優(yōu)勢,其檢測精度明顯優(yōu)于目前的檢測方法。由于光束穿過大于75 μm的不透明涂層后,再次反射光的強度與噪聲相當,則無法測定其涂層厚度,這也是光干涉法目前測定彩涂板涂層厚度的局限性。

3 光干涉法的影響因素

采用光干涉法測定彩涂板涂層厚度的影響因素主要有涂層折射率、波長范圍和膜厚范圍等。

3.1 涂層折射率

為了考察光干涉法涂層折射率對涂層厚度測定結(jié)果的影響,設(shè)計如下試驗:在SpecMerix干涉測厚儀軟件中建立不同的測量方法,分別設(shè)定不同的折射率參數(shù),膜厚范圍設(shè)定均為9.5～31.5 μm,同時確保其他參數(shù)均相同(波長范圍和其他對有效數(shù)據(jù)比率有影響的參數(shù)),分別測定某灰色家電彩涂板的涂層厚度。設(shè)定不同折射率與涂層厚度測定結(jié)果,見圖3。從圖3可知,該彩涂板涂層厚度測定結(jié)果與折射率成線性負相關(guān),相關(guān)系數(shù)接近-1。這個測定結(jié)果與本文公式(1)的描述是一致的,涂層厚度的測定結(jié)果與折射率的設(shè)定有直接關(guān)系。

圖3 涂層厚度與折射率的線性回歸Fig.3 Linear regression between coating thickness and refractive index

雖然近兩年采用干涉法測定彩涂板涂層厚度在歐美等國家有了應(yīng)用實例,但畢竟還是處于起步階段,其檢測結(jié)果與其他方法存在一定的差異。主要原因是采用干涉法時,需要知道被測試樣涂層的折射率。而對于不透明的有機涂層來說,目前沒有技術(shù)手段測定其折射率。所以大部分情況是依據(jù)檢測者的經(jīng)驗進行估值,這樣就會造成檢測誤差。另外,一些有經(jīng)驗、有數(shù)據(jù)積累的鋼鐵公司會把相關(guān)參數(shù)作為機密。所以,要確保干涉法檢測結(jié)果準確,折射率參數(shù)需要不斷摸索。

折射率與介質(zhì)的電磁性質(zhì)密切相關(guān),可由相對電容率和相對磁導(dǎo)率來表征。影響介質(zhì)折射率的主要因素是分子團、分子、原子、原子中的電子和原子核的運動狀態(tài)及相互間的約束關(guān)系。分子與原子在空間上的排列組合結(jié)構(gòu)越緊湊,折射率就越高。對于彩涂板來說,影響涂層折射率的因素主要有顏基比、涂料類型和涂料顏色等,而其中的關(guān)鍵影響因素是涂料的顏基比。所以,可以按照涂料顏基比的大小,估計其涂層的折射率。采用經(jīng)估計折射率的干涉法,其測定結(jié)果的準確性,可用目前彩涂板涂層厚度測定方法來驗證。

另外,在實際的檢測工作中,發(fā)現(xiàn)彩涂板某些特殊涂層,如部分金屬漆,其折射率與涂層厚度線性不相關(guān)。這可能是由于涂層中的金屬鋁粉的含量、顆粒大小及排列方式等,影響到光的折射。關(guān)于這類問題的解決,我們的探索工作仍在進行。

3.2 波長范圍

為考察SpecMerix干涉測厚儀軟件中波長范圍設(shè)定對涂層厚度測定結(jié)果的影響,設(shè)計了試驗方案:采用相同的試樣,在干涉測厚儀軟件中建立測量方法時,分別設(shè)定不同的波長范圍,膜厚范圍設(shè)定均為9.5～31.5 μm,同時確保其他參數(shù)均相同(折射率和其他對有效數(shù)據(jù)比率有影響的參數(shù))。該試樣涂層厚度測定結(jié)果見表2。從表2可知,波長范圍的改變對檢測結(jié)果影響有限,這也許是因為,在儀器允許設(shè)定的波長范圍內(nèi),波長范圍的改變對檢測結(jié)果的影響貢獻很小。一般情況下,采用SpecMerix干涉測厚儀測定彩涂板正面涂層厚度時,波長范圍在500～700 nm范圍內(nèi)選取。若波長范圍設(shè)定過小,如表2中的最后一組數(shù)據(jù),會對檢測結(jié)果有明顯影響,這主要是因為波長范圍設(shè)定太小,遺漏很多有效的干涉信號。一般情況下,波長范圍設(shè)定需滿足最大波長和最小波長的差不小于100 nm。若波長范圍設(shè)定過大,接收到大量干擾信號,影響到有效數(shù)據(jù)的比例(儀器有效數(shù)據(jù)比例一般設(shè)定為20%),會造成干涉測厚儀無讀數(shù)。

表2 不同波長范圍的涂層厚度檢測結(jié)果Table 2 Testing results of coating thickness in different wavelength ranges

3.3 膜厚范圍

為考察干涉測厚儀軟件中厚度范圍設(shè)定的影響,設(shè)計了試驗方案:采用相同的試樣,在干涉測厚儀軟件中建立測量方法時,分別設(shè)定不同的膜厚范圍,波長范圍設(shè)定均為540～675 nm,同時確保其他參數(shù)均相同(折射率和其他對有效數(shù)據(jù)比率有影響的參數(shù))。檢測結(jié)果見表3。若膜厚設(shè)定范圍過窄,檢測到的厚度值為比較窄的范圍,這樣就會遺失大部分真實厚度值的信號,檢測結(jié)果偏離了真實情況,會造成測定結(jié)果偏差大。一般情況下,測定彩涂板正面涂層厚度時,膜厚范圍設(shè)定需不小于10 μm。若膜厚范圍設(shè)定過大,對于干涉光譜圖不復(fù)雜的產(chǎn)品來說,對檢測結(jié)果影響不大,對于光譜圖復(fù)雜的產(chǎn)品來說,受到峰值容差和邊緣容差的影響就比較明顯,最終會影響有效讀數(shù)的比例,若該比例下降到一定比例,就會造成設(shè)備無讀數(shù)。

表3 不同膜厚范圍的涂層厚度檢測結(jié)果Table 3 Testing results of coating thickness in different film thickness ranges μm

除以上折射率、波長范圍設(shè)定和膜厚范圍設(shè)定影響到涂層厚度檢測結(jié)果外,還有探頭高度、高度閾值、峰值容差、邊緣容差和平滑的參數(shù),這些參數(shù)是設(shè)備檢測時的設(shè)定條件,會影響到光譜圖數(shù)據(jù)及儀器軟件對光譜數(shù)據(jù)的計算分析,若設(shè)定不當,儀器沒有讀數(shù)或有讀數(shù)但讀數(shù)偏差較大。

4 試驗與分析

4.1 測量系統(tǒng)分析

采用不同涂層厚度的彩涂板,分別用光干涉法和目前常用的檢測方法千分尺法和磁性—渦流儀法進行MSA分析,分析結(jié)果見表4。從表4可知,光干涉儀的R&R分析結(jié)果為3.4%,遠小于千分尺的12.3%和磁性—渦流儀的9.8%,且小于對檢測設(shè)備系統(tǒng)10%的要求,所以該檢測方法是可被接受的。

表4 MSA分析結(jié)果比較Table 4 Comparison of results of MSA analysis

為了進一步考察光干涉法測定彩涂板涂層厚度的重復(fù)性,分別采用光干涉儀設(shè)備自帶標樣(4.03 μm)和熱鍍鋅基板彩涂板(18.7 μm),同一人短時間內(nèi)重復(fù)檢測膜厚14次,并與磁性—渦流儀法進行比較,結(jié)果見表5。光干涉儀測定設(shè)備標樣(4.03 μm)的極差和標準偏差分別為0.01和0.005 μm,符合該設(shè)備說明書中檢測精度1%的要求。這說明只要干涉儀的檢測條件設(shè)定合適,可以確保較高的檢測精度。光干涉儀測定熱鍍鋅基板彩涂板(18.7 μm)的極差和標準偏差分別為0.16和0.044 μm,而磁性—渦流儀的測定結(jié)果分別為1.00和0.250 μm,光干涉儀的測定結(jié)果明顯優(yōu)于磁性—渦流儀的測定結(jié)果,光干涉儀測定結(jié)果受儀器自身波動影響更小,結(jié)果更穩(wěn)定。

表5 重復(fù)性結(jié)果比較Table 5 Comparison of repeatability μm

4.2 對比試驗

取不同時間生產(chǎn)的PE白灰彩涂板,分別采用光干涉法和目前方法(千分尺法和磁性—渦流儀法)測定其涂層厚度,共收集75對檢測數(shù)據(jù)。然后在這75對數(shù)據(jù)中,將干涉法測定膜厚結(jié)果與目前方法測定結(jié)果的差值,作直方圖見圖4。從直方圖看出,這些差值數(shù)據(jù)基本符合正態(tài)分布。再對這些差值數(shù)據(jù)進行非參數(shù)的符號秩檢驗,檢驗結(jié)果見圖5,檢驗統(tǒng)計量P=0.193大于0.05,說明兩組數(shù)據(jù)差異中位數(shù)與0不存在明顯差異,即干涉法的測定結(jié)果與目前方法沒有明顯差異。

圖4 光干涉法與目前方法涂層厚度差值的直方圖Fig.4 Histogram of the difference in coating thickness between optical interferometry and current methods

圖5 光干涉法與目前方法涂層厚度差值的統(tǒng)計檢驗Fig.5 Statistical test of coating thickness difference between optical interference method and current method

從上述75個試樣中,抽取一個試樣,分別采用干涉法和其他檢測方法測定其涂層厚度,測定結(jié)果見表6,金相顯微鏡法的測定結(jié)果另見圖6。從表6和圖6可知,該試樣干涉法測定結(jié)果與千分尺法、鉆孔破壞式顯微觀察法和金相顯微鏡法測定結(jié)果差異不超過1 μm,該差異是可以接受的。

表6 不同方法涂層厚度檢測結(jié)果比較Table 6 Comparison of test results of coating thickness by different methods μm

圖6 金相顯微鏡法測定結(jié)果Fig.6 Results of determination by metallographic microscope

5 結(jié)論

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,近兩年光干涉法測定涂層厚度的應(yīng)用,被檢測標準ISO 2808和ASTM D8331納入到其中,該檢測方法的重復(fù)性為0.5 μm,再現(xiàn)性為1.5 μm,優(yōu)于目前彩涂板涂層厚度的檢測方法。本文采用SpecMerix干涉測厚儀對彩涂板涂層厚度的測定進行研究,試驗結(jié)果表明:

(1) 一般情況下,彩涂板涂層厚度測定結(jié)果與折射率成線性負相關(guān),相關(guān)系數(shù)接近-1,而波長范圍和膜厚范圍設(shè)定對檢測結(jié)果影響很有限,但其設(shè)定范圍要合適。

(2) 通過MSA分析,光干涉儀測定彩涂板的R&R分析結(jié)果為3.4%,明顯優(yōu)于目前彩涂板的檢測設(shè)備。

(3) 本文以PE白灰彩涂板為例,采用光干涉法和目前方法進行比對試驗,經(jīng)統(tǒng)計檢驗兩者檢測結(jié)果沒有明顯差異,這種既準又快的檢測方法可以應(yīng)用于彩涂板涂層厚度檢測(不超過75 μm)。