Способ и устройство для определения параметров металлических покрытий

 

Изобретение относится к области анализа металлических покрытий. Способ определения параметров металлических покрытий осуществляется путем электрохимического растворения совокупности участков поверхности, которому предшествует катодная проработка. Устройство для определения параметров металлических покрытий представляет собой электрохимическую ячейку, выполненную в виде полого цилиндра, снабженную подвижной поршневой системой, содержащую наконечник с калиброванным отверстием и противоэлектрод, расположенный непосредственно в капиллярном канале наконечника. Процессы растворения и катодной проработки проводят раздельно в двух электрохимических ячейках, которые одновременно опускают на контролируемую поверхность, на обе ячейки подают поляризующее напряжение, при этом в первой ячейке идет процесс катодной проработки, во второй ячейке идет процесс электрохимического растворения покрытия, и одновременно фиксируют аналитический сигнал, затем напряжение отключают, электролит перемешивают, ячейки поднимают и перемещаают на следующие участки поверхности вдоль выбранного направления контроля таким образом, что вторую ячейку устанавливают на участок, предварительно проработанный первой ячейкой. Технический результат изобретения - расширение функциональных возможностей, повышение точности и производительности анализа. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области анализа металлических покрытий путем электрохимического растворения микроучастка образца для определения толщины, элементного и фазового состава.

Известны способы определения параметров металлических покрытий. Ячейку заполняют рабочим раствором, устанавливают на поверхность образца, проводят растворение и одновременно фиксируют аналитический сигнал. Затем электролит перемешивают и анализируют следующий участок поверхности [1]. Недостатком данного способа является снижение точности анализа по причине того, что растворение проводят через поверхностные оксидно-пленочные слои.

Наиболее близким к изобретению является способ [2]. Поверхность образца подвергают предварительной катодной проработке, меняют полюса подключения электродов, проводят растворение, при этом одновременно фиксируют аналитический сигнал, ячейку отводят от поверхности, переводят к следующему участку и операции повторяют. Недостатком данного способа является то, что операции катодной проработки и растворения покрытия выполняют последовательно при помощи одной ячейки. Это существенно снижает производительность анализа.

Известны устройства для определения толщины и состава металлических покрытий, основанные на использовании кулонометрического метода. Они представляют собой электрохимическую ячейку, корпус которой выполнен из стали или стеклоуглерода, с капиллярным отверстием в основании корпуса для осуществления контакта раствора электролита с поверхностью образца.

Устройство заполняется раствором электролита, размещается на поверхности образца, проводится растворение покрытия с одновременной записью аналитического сигнала, после чего отработанный электролит выводится из корпуса ячейки [2]. Недостатком данной системы является невозможность использования ячейки на другом участке покрытия без замены электролита, что снижает производительность анализа.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является конструкция [1]. Она представляет собой цилиндрический корпус, снабженный насосом для откачки электролита в дополнительный резервуар, что позволяет производить расстыковку ячейки с поверхностью образца. Электролит подается и отводится путем изменения давления в рабочем корпусе. Недостатком данного устройства является сложность конструкции зонда, а также невозможность удаления снижающих точность анализа оксидных пленок с поверхности образца.

Задача изобретения - расширение функциональных возможностей, повышение точности и производительности анализа.

Задача решается тем, что на контролируемую поверхность опускают две электрохимические ячейки, в рабочей ячейке идет процесс растворения покрытия, во вспомогательной - процесс катодной проработки поверхности. Ячейки располагают параллельно друг другу на расстоянии, равном шагу смещения устройства, значение которого кратно целому числу. Кроме того, продолжительность процессов растворения и катодной проработки синхронизируют по времени.

Задача также решается тем, что устройство содержит вспомогательную ячейку, которая заполняется электролитом для осуществления процесса предварительной катодной проработки поверхности анализируемого образца. Электрохимические ячейки снабжены подвижной поршневой системой, что позволяет проводить расстыковку зондов с поверхностью образца.

Технический результат заключается в том, что при помощи вспомогательной ячейки проводят предварительную катодную проработку для удаления оксидных пленок с поверхности образца, что повышает точность измерений.

Для расширения функциональных возможностей и повышения производительности анализа процессы катодной проработки и электрохимического растворения проводят раздельно в двух электрохимических ячейках - вспомогательной и рабочей, которые одновременно опускают на контролируемую поверхность, при этом в рабочей ячейке идет процесс растворения покрытия, во вспомогательной - процесс катодной проработки. Синхронизация процессов растворения и проработки возможна в случае, когда ячейки находятся на электрически изолированных друг от друга участках одного образца или на поверхности разных образцов. Если участки одного образца неизолированы, то процессы проводят последовательно в разных ячейках. В процессе катодной проработки на рабочем электроде идет выделение водорода, который восстанавливает поверхностные оксиды до свободного металла.

Продолжительность катодной проработки задается с учетом способности данного металла адсорбировать водород: чем выше адсорбционная способность, тем в общем случае меньше продолжительность процесса. С учетом этого параметры электрохимического растворения покрытия подбирают таким образом, чтобы продолжительность обоих процессов была одинакова.

Если обозначить продолжительность процесса катодной проработки t, а время растворения покрытия Т, то общая продолжительность процесса анализа N будет равна

В том случае, когда продолжительность обоих процессов одинакова, т.е. t=Т, общая продолжительность процесса анализа равна

Если анализируют n участков поверхности, то формула 2 будет иметь вид

Для предлагаемого способа формула 3 запишется так

где t' - время катодной проработки первого участка. Формула 4 справедлива для случая синхронного проведения процессов растворения и проработки, характеризующегося более высокой производительностью.

Из сопоставления формул 3 и 4 следует, что с увеличением числа анализируемых участков поверхности продолжительность анализа по предлагаемому способу значительно меньше.

С учетом времени смещения устройства от точки к точке, которое примем одинаковым и постоянным (const), и количества смещений h=n-1, формула 4 перепишется так

Для расширения функциональных возможностей обе ячейки располагают параллельно друг другу на расстоянии L, что дает возможность перемещать их по поверхности образца для осуществления интегрального анализа в выбранном направлении. При этом расстояние L равно шагу смещения устройства, значение которого кратно целому числу.

Для повышения точности анализа устройство содержит вспомогательную электрохимическую ячейку для осуществления процесса предварительной катодной проработки поверхности с целью удаления оксидных пленок. Рабочий электрод вспомогательной ячейки является катодом, противоэлектрод - анодом, для рабочей ячейки знаки электродов противоположные. При проведении процесса катодной проработки происходит изменение состава электролита в приэлектродном пространстве, что требует постоянного перемешивания раствора. Поскольку после катодной проработки должен быть исключен контакт проработанного участка с воздухом, часть рабочего раствора должна остаться на поверхности образца после подъема вспомогательной ячейки. Некоторая часть раствора остается на поверхности, если использовать наконечники с большим диаметром капиллярного канала. Поэтому диаметр капиллярного канала наконечника вспомогательной ячейки выбирается в диапазоне 1,5-3,0 мм, соотношение диаметров капилляров равно 1,5-3,0.

На чертеже представлена зависимость общей продолжительности процесса анализа от количества анализируемых участков (фиг.1) и схема конструкции устройства для определения параметров металлических покрытий по предлагаемому способу (фиг.2).

На чертеже (фиг.2) представлено устройство для определения параметров металлических покрытий.

Устройство для определения параметров металлических покрытий состоит из двух электрохимических ячеек: рабочей 1 и вспомогательной 2, которые выполнены в виде полых цилиндров с капилляром в основании, при этом каждая ячейка содержит поршень 3, пластмассовый наконечник с калиброванным отверстием 4 и противоэлектрод 5, который вводится через боковую стенку корпуса.

Способ реализуется следующим образом. Ячейку заполняют раствором нитрата аммония концентрацией 1,5 моль/л, устройство опускают на предварительно обезжиренную этиловым спиртом поверхность двух электрически изолированных участков одного образца или на поверхность разных образцов, представляющих собой стальную деталь с нанесенным гальваническим способом медным покрытием, и во вспомогательной ячейке в течение заданного времени t' проводят катодную проработку поверхности постоянным током плотностью 0,2-1,0 А/дм². Затем подачу тока прекращают, электролит перемешивают, устройство поднимают и смещают на расстояние L таким образом, что на участок, проработанный вспомогательной ячейкой, устанавливают рабочую. После этого устройство опускают на контролируемую поверхность, во вспомогательной ячейке проводят катодную проработку поверхности током плотностью 0,2-1,0 А/дм², одновременно в рабочей ячейке проводят потенциодинамическое растворение покрытия со скоростью развертки потенциала 10 мВ/с. По достижении момента окончания процессов, который фиксируют потенциометром, напряжение отключают, электролит перемешивают, устройство поднимают, перемещают в выбранном направлении на следующие точки и операции повторяют. Толщину покрытия определяют по величине предельного тока, количества электричества или времени растворения, о составе судят по значениям потенциалов растворения, высоте и числу максимумов тока на вольтамперограмме.

Устройство работает следующим образом. В корпус каждой ячейки (1 и 2) при помощи поршня 3 отбирается рабочий раствор электролита, ячейки 1 и 2 одновременно устанавливают на поверхность образцов 6, при этом электроды 5 и 6 подключены к соответствующим полюсам источников поляризации. На обе ячейки с разных источников одновременно подают напряжение и фиксируют аналитический сигнал. После этого ячейки поднимают, электролит перемешивают при помощи поршня 3, устройство перемещают на следующие участки поверхности и операции повторяют. По окончании анализа электролит выводится при помощи поршня 3, наконечник 4 тщательно промывается.

Источники информации

1. Вегис Ю.К., Бабаджанов Л.С. Кулонометрические толщиномеры и их метрологическое обеспечение. // Измер. техника, 1996, №3, с.27-31.

2. Слепушкин В.В., Зулин В.В. Определение толщины металлопокрытий методом анодного электрохимического растворения при линейном изменении напряжения. // Ж. аналит. химии, 1979, №7, с.1247-1251 (прототип).

Формула изобретения

1. Способ определения параметров металлических покрытий путем электрохимического растворения участка поверхности, которому предшествует катодная проработка, отличающийся тем, что процессы растворения и катодной проработки проводят раздельно в двух электрохимических ячейках, которые одновременно опускают на поверхность двух электрически изолированных друг от друга участков одного образца или на поверхность разных образцов, на обе ячейки подают поляризующее напряжение, при этом в первой ячейке идет процесс катодной проработки участка поверхности, во второй ячейке идет процесс электрохимического растворения покрытия, одновременно фиксируют аналитический сигнал, затем напряжение отключают, электролит перемешивают, ячейки поднимают и перемещают на следующие участки поверхности вдоль выбранного направления контроля таким образом, что вторую ячейку устанавливают на участок, предварительно проработанный первой ячейкой, и операции повторяют, после чего толщину покрытия определяют по величине предельного тока, количества электричества или времени растворения, о составе судят по значениям потенциалов растворения, высоте и числу максимумов тока на вольтамперограмме.

2. Способ определения параметров металлических покрытий по п.1, отличающийся тем, что электрохимические ячейки располагают параллельно друг другу на расстоянии, равном шагу смещения устройства в выбранном направлении, значение которого кратно целому числу.

3. Способ определения параметров металлических покрытий по пп.1 и 2, отличающийся тем, что параметры электрохимического растворения покрытия подбирают таким образом, чтобы продолжительность процессов растворения и катодной проработки была одинакова.

4. Устройство для определения параметров металлических покрытий, представляющее собой электрохимическую ячейку, выполненную в виде полого цилиндра, снабженную подвижной поршневой системой, содержащую наконечник с калиброванным отверстием и противоэлектрод, расположенный непосредственно в капиллярном канале наконечника, отличающееся тем, что оно содержит вспомогательную электрохимическую ячейку для предварительной катодной проработки поверхности образца, при этом диаметр капиллярного канала наконечника для катодной проработки выбран из диапазона (1,5-3) мм.

5. Устройство для определения параметров металлических покрытий по п.4, отличающийся тем, что вспомогательная ячейка содержит электролит для проведения предварительной катодной проработки поверхности образца.

6. Устройство для определения параметров металлических покрытий по пп.4 и 5, отличающееся тем, что соотношение диаметров капилляров вспомогательной и рабочей ячеек составляет 1,5-3,0.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2