Nguyên lý đo độ dày lớn phủ từ A-Z

Độ dày lớp phủ là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm, kiểm soát quy trình và tối ưu chi phí. Có nhiều loại thiết bị và cách thức khác nhau để đo độ dày màng sơn. Hiểu rõ các công cụ đo độ dày lớp phủ và cách sử dụng chúng trong từng trường hợp là rất cần thiết.

Việc lựa chọn phương pháp đo độ dày sơn hoặc lớp phủ tốt nhất phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: loại lớp phủ, vật liệu nền, phạm vi độ dày, kích thước và hình dạng của chi tiết, cũng như cần cân nhắc tới chi phí thiết bị.

Các kỹ thuật đo màng sơn hữu cơ khô phổ biến bao gồm:

• Phương pháp không phá hủy: Đo từ tính, dòng điện xoáy, siêu âm, hoặc micromet.
• Phương pháp phá hủy: Cắt mặt cắt ngang hoặc đo khối lượng (trọng lượng).

Ngoài ra, còn có các phương pháp đo độ dày màng sơn ướt và bột sơn trước khi chúng khô hoàn toàn.

Máy đo độ dày sơn sử dụng nguyên lý từ tính hoạt động thế nào?

Máy đo độ dày sơn dùng nguyên lý từ tính được dùng để đo độ dày lớp phủ không từ tính trên nền kim loại có từ tính (sắt từ) mà không làm phá hủy lớp sơn phủ. Hầu hết các lớp phủ trên thép và sắt đều được đo bằng phương pháp này. Máy đo từ tính hoạt động dựa trên một trong hai nguyên lý: lực kéo từ tính hoặc cảm ứng từ/cảm ứng điện từ.

Máy đo độ dày sơn kiểu lực kéo từ (Magnetic Pull-off)

Máy đo độ dày sơn kiểu kéo sử dụng một nam châm vĩnh cửu, một lò xo đã được hiệu chuẩn và một thước đo. Lực hút giữa nam châm và thép từ tính sẽ kéo chúng lại gần nhau. Khi độ dày lớp phủ giữa chúng tăng lên, việc kéo nam châm ra sẽ dễ dàng hơn. Độ dày lớp phủ được xác định bằng cách đo lực kéo này: lớp phủ mỏng hơn sẽ có lực hút từ mạnh hơn, trong khi lớp phủ dày hơn sẽ có lực hút tương đối yếu hơn.

Việc đo bằng máy đo từ tính kiểu kéo có thể bị ảnh hưởng bởi độ nhám bề mặt, độ cong, độ dày vật liệu nền và thành phần hợp kim của kim loại.

Máy đo kiểu kéo bền bỉ, đơn giản, chi phí thấp, cơ động và thường không cần hiệu chỉnh. Đây là lựa chọn tốt, chi phí thấp khi cần một vài phép đo trong quá trình sản xuất. Máy đo độ dày sơn từ tính kiểu kéo thường có hai dạng: kiểu bút hoặc kiểu mặt số cuộn.

• Kiểu bút: Sử dụng nam châm gắn với lò xo xoắn ốc hoạt động vuông góc với bề mặt được phủ. Hầu hết các loại bút này có nam châm lớn và chỉ được thiết kế để hoạt động ở một hoặc hai vị trí và có thể bù một phần trọng lực. Các phiên bản cho độ chính xác cao hơn có nam châm nhỏ để đo trên các bề mặt nhỏ, nóng hoặc khó tiếp cận, với chỉ báo ba lần đảm bảo độ chính xác (dung sai ±10%) khi đầu đo hướng xuống, lên hoặc ngang.
• Kiểu mặt số cuộn: Là dạng phổ biến nhất của máy đo kiểu kéo. Một nam châm được gắn vào một đầu của cánh tay đòn cân bằng và nối với một lò xo đã hiệu chuẩn. Bằng cách xoay mặt số bằng ngón tay, lò xo tăng lực tác động lên nam châm và kéo nó ra khỏi bề mặt. Các máy này dễ sử dụng và có cánh tay đòn cân bằng cho phép chúng hoạt động ở bất kỳ vị trí nào, không phụ thuộc vào trọng lực. Chúng an toàn trong môi trường dễ cháy nổ và thường được sử dụng bởi các nhà thầu phụ trách sơn và các hoạt động sơn tĩnh điện nhỏ. Dung sai thông thường là ±5%.

Máy đo độ dày sơn kiểu Cảm ứng từ và Cảm ứng điện từ

• Cảm ứng từ: Sử dụng nam châm vĩnh cửu làm nguồn từ trường. Máy tạo hiệu ứng Hall hoặc điện trở từ được dùng để cảm biến mật độ từ thông tại cực của nam châm.
• Cảm ứng điện từ: Sử dụng từ trường xoay chiều. Một thanh sắt từ mềm quấn dây cuộn được dùng để tạo ra từ trường. Một cuộn dây thứ hai được dùng để phát hiện sự thay đổi trong từ thông.

Các máy đo điện tử này đo sự thay đổi mật độ từ thông tại bề mặt đầu dò từ tính khi nó đến gần bề mặt thép. Độ lớn của mật độ từ thông tại bề mặt đầu dò liên quan trực tiếp đến khoảng cách từ vật liệu nền thép. Bằng cách đo mật độ từ thông, độ dày lớp phủ có thể được xác định.

Các máy đo độ dày từ tính điện tử có nhiều hình dạng và kích cỡ. Chúng thường sử dụng đầu dò áp suất không đổi để cung cấp các kết quả nhất quán không bị ảnh hưởng bởi người vận hành khác nhau. Kết quả đo độ dày được hiển thị trên màn hình LCD. Các máy này có thể có các tùy chọn để lưu trữ kết quả đo, phân tích ngay lập tức các số đọc và xuất kết quả ra máy in hoặc máy tính để kiểm tra thêm. Dung sai thông thường khoảng ±1%.

Để có kết quả chính xác nhất, cần tuân thủ cẩn thận hướng dẫn của nhà sản xuất. Các phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn được đề cập trong ASTM D 1186, D 7091-05, ISO 2178 và ISO 2808.

Máy đo độ dày lớp phủ sử dụng Dòng điện xoáy (Eddy Current) hoạt động thế nào?

Kỹ thuật dòng điện xoáy được dùng để đo độ dày không phá hủy các lớp phủ không dẫn điện trên vật liệu nền kim loại không từ tính (như nhôm, đồng, v.v.). Một cuộn dây dẫn dòng điện xoay chiều tần số cao (trên 1 MHz) được dùng để tạo ra từ trường xoay chiều tại bề mặt đầu dò của thiết bị.

Khi đầu dò được đưa gần một bề mặt dẫn điện, từ trường xoay chiều sẽ tạo ra dòng điện xoáy trên bề mặt. Đặc tính vật liệu nền và khoảng cách từ đầu dò đến vật liệu nền (tức là độ dày lớp phủ) ảnh hưởng đến cường độ của dòng điện xoáy. Các dòng điện xoáy này tạo ra từ trường đối nghịch của riêng chúng mà cuộn dây kích thích hoặc một cuộn dây thứ hai liền kề có thể thu nhận được.

Các máy đo độ dày lớp phủ dòng điện xoáy có hoạt động giống như các máy đo sử dụng nguyên lý từ tính. Chúng được dùng để đo độ dày sơn và lớp phủ trên tất cả các kim loại không từ tính. Giống như các máy đo nguyên lý từ tính, chúng thường sử dụng đầu dò và hiển thị kết quả trên màn hình LCD. Chúng cũng có thể có các tùy chọn để lưu trữ kết quả đo hoặc phân tích ngay lập tức các số đọc và xuất ra máy in hoặc máy tính để kiểm tra thêm. Dung sai điển hình là ±1%. Kết quả kiểm tra bị ảnh hưởng bởi độ nhám bề mặt, độ cong, độ dày vật liệu nền, loại vật liệu nền kim loại và khoảng cách tới mép vật liệu (hiệu ứng edge).

Các phương pháp tiêu chuẩn để áp dụng và thực hiện thử nghiệm này được trình bày trong ASTM B244, ASTM D1400, D7091 và ISO 2360.

Hiện nay, nhiều máy đo độ dày sơn kết hợp cả hai nguyên lý từ tính và dòng điện xoáy trong một thiết bị. Một số đơn giản hóa việc đo hầu hết các lớp phủ trên mọi kim loại bằng cách tự động chuyển đổi giữa hai nguyên lý hoạt động tùy thuộc vào vật liệu nền. Các máy đo kết hợp này rất phổ biến với nhà thầu phụ trách sơn và thợ sơn tĩnh điện.

Máy đo độ dày lớp phủ sử dụng Siêu âm hoạt động thế nào?

Kỹ thuật siêu âm xung-vọng của máy đo độ dày sơn siêu âm được dùng để đo độ dày lớp phủ trên nền phi kim loại (nhựa, gỗ, gốm, thủy tinh v.v.) mà không làm hỏng lớp phủ.

Đầu dò của máy đo chứa một bộ chuyển đổi siêu âm gửi một xung qua lớp phủ. Xung phản xạ lại từ vật liệu nền về bộ chuyển đổi và được chuyển đổi thành tín hiệu điện tần số cao. Dạng sóng phản xạ được số hóa và phân tích để xác định độ dày lớp phủ. Trong một số trường hợp, có thể đo từng lớp riêng lẻ cũng như chiều dày tổng thể của các lớp sơn.

Dung sai điển hình của các thiết bị này khoảng ±3%. Các phương pháp tiêu chuẩn để áp dụng và thực hiện thử nghiệm này được trình bày trong ASTM D6132.

Bản thân phương pháp sử dụng siêu âm để đo chiều dày lớp sơn cũng có nhiều phương án khác nhau. Đọc thêm tại bài viết.

Sử dụng Micromet để Đo độ dày lớp sơn

Micromet đôi khi được dùng để kiểm tra độ dày lớp phủ. Ưu điểm của chúng là có thể đo bất kỳ sự kết hợp lớp phủ/vật liệu nền nào, nhưng nhược điểm là yêu cầu tiếp cận vật liệu ở cả hai phía. Phép đo phải chạm cả bề mặt lớp phủ và mặt dưới của vật liệu nền có thể gây hạn chế và chúng thường không đủ nhạy để đo các lớp phủ mỏng.

Khi sử dụng Micromet để đo độ dày lớp sơn, cần thực hiện hai phép đo. Lần thứ nhất khi lớp phủ còn nguyên và lần sau khi không có lớp phủ. Sự khác biệt giữa hai giá trị đo, tức là sự thay đổi chiều cao, được coi là độ dày lớp phủ. Trên các bề mặt gồ ghề, micromet đo độ dày lớp phủ phía trên đỉnh cao nhất.

Sử dụng các phương pháp phá hủy để đo độ dày lớp phủ

Một kỹ thuật phá hủy là cắt mặt cắt ngang của chi tiết được phủ và đo độ dày màng bằng cách quan sát mặt cắt dưới kính hiển vi. Một kỹ thuật cắt mặt cắt ngang khác sử dụng kính hiển vi có chia độ để quan sát vết rạch hình học xuyên qua lớp phủ khô và vào vật liệu nền. Một công cụ cắt đặc biệt được dùng để tạo một rãnh chữ V nhỏ, chính xác xuyên qua lớp phủ và vào vật liệu nền. Các máy đo có sẵn đi kèm với các đầu cắt và kính lúp có đèn chiếu sáng.

Mặc dù các nguyên lý của phương pháp phá hủy này dễ hiểu, nhưng vẫn có khả năng xảy ra lỗi đo lường. Cần có kỹ năng để chuẩn bị mẫu và giải thích kết quả. Việc điều chỉnh lưới đo đến một giao diện không bằng phẳng hoặc không rõ ràng có thể gây ra kết quả không chính xác, đặc biệt giữa các người vận hành khác nhau. Phương pháp này được sử dụng khi các phương pháp không phá hủy, không tốn kém không khả thi, hoặc như một cách để xác nhận kết quả không phá hủy. ASTM D 4138 phác thảo một phương pháp tiêu chuẩn cho hệ thống đo lường này.

Phương pháp đo độ dày lớp phủ thông qua khối lượng

Bằng cách đo khối lượng và diện tích của lớp phủ, độ dày có thể được xác định. Phương pháp đơn giản nhất là cân chi tiết trước và sau khi phủ. Sau khi xác định khối lượng và diện tích, độ dày được tính bằng phương trình sau:

T=m x 10 / A x d

Trong đó:

• T là độ dày tính bằng micromet
• m là khối lượng của lớp phủ tính bằng miligam
• A là diện tích được thử nghiệm tính bằng centimet vuông
• d là mật độ tính bằng gam trên centimet khối

Khó có thể liên hệ khối lượng của lớp phủ với độ dày khi vật liệu nền gồ ghề hoặc lớp phủ không đều. Phương pháp này thường được sử dụng trong các phòng thí nghiệm và là phương pháp tốn thời gian và thường mang tính phá hủy.

Mẫu chuẩn độ dày lớp phủ

Máy đo độ dày lớp phủ được hiệu chuẩn theo các tiêu chuẩn độ dày đã biết. Có nhiều nguồn cung cấp tiêu chuẩn độ dày, nhưng cần đảm bảo chúng có thể truy nguyên đến một viện đo lường quốc gia như NIST (Viện Tiêu chuẩn & Công nghệ Quốc gia Mỹ). Điều quan trọng là phải xác minh các tiêu chuẩn có độ chính xác ít nhất gấp bốn lần máy đo mà chúng sẽ được dùng để hiệu chuẩn. Kiểm tra thường xuyên với các tiêu chuẩn này sẽ xác minh máy đo đang hoạt động bình thường. Khi các số đọc không đáp ứng thông số kỹ thuật độ chính xác của máy đo, máy đo phải được điều chỉnh hoặc sửa chữa và sau đó hiệu chuẩn lại.

Tổng kết

Độ dày màng sơn phủ có thể tác động lớn đến chi phí và chất lượng. Đo độ dày màng sơn cần được thực hiện thường xuyên đối với tất cả các nhà thầu sơn và giám sát. Việc lựa chọn máy đo màng sơn phù hợp phụ thuộc vào phạm vi độ dày của lớp phủ, hình dạng và loại vật liệu nền, chi phí của máy đo và mức độ quan trọng của việc có được phép đo chính xác.

Khi bạn có nhu cầu kiểm tra, đánh giá, đo chiều dày lớp sơn phủ, xin hãy liên hệ với VISCO để được hỗ trợ.