GB/T 34190-2017 电工钢表面涂层的重量（厚度） X射线光谱测试方法

　　ICS 77 . 040 . 99 H 2 1

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 34190—2017

　　电工钢表面涂层的重量(厚度)

　　X射线光谱测试方法

　　Surfacecoatingweight(thickness)ofelectricalsteel—

　　X-rayspectrometricmethod

　　2017-09-07 发布 2018-06-01 实施

　　中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中 国 国 家 标 准 化 管 理 委 员 会

　　发

　　布

　　GB/T 34190—20 17

　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1 . 1—2009 给出的规则起草。

　　本标准由中国钢铁工业协会提出。

　　本标准由全国钢标准化技术委员会(SAC/TC 183)归口 。

　　本标准起草单位：武汉钢铁股份有限公司、宝山钢铁股份有限公司、首钢总公司、冶金工业信息标准研究院。

　　本标准主要起草人：向前、华犇、黄双、石建锐、王玉婕、张俊鹏、范纯、龚坚、刘宝石、刘集中、周星。

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　　电工钢表面涂层的重量(厚度)

　　X射线光谱测试方法

　　1 范围

　　本标准规定了利用 X射线光谱法测试电工钢表面涂层重量(厚度)的方法。

　　本方法用于室温下测量试样单位面积上的涂层重量，其测量结果也可以用涂层厚度表示。

　　本标准适用于表面涂层中含有稳定的、不受干扰的、X射线荧光强度较大的特性元素的电工钢，给定涂层材料的测量范围主要取决于可获得的特征 X射线荧光强度和可接受的测量不确定度，并且因所使用的仪器设备和测量方式而不同。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件对于本文件的应用是必不可少的。 凡是注 日期的引用文件，仅注 日期的版本适用于本文件 。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

　　GB/T 16921 金属覆盖层 覆盖层厚度测量 X射线光谱方法

　　3 术语和定义

　　GB/T 16921 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

　　3.1

　　基体 substrate

　　在其表面涂覆涂层的材料。

　　3.2

　　表面涂层 surfacecoating

　　涂覆在电工钢基体上主要起绝缘保护功能的材料，例如铬酸盐或磷酸盐等无机或半有机涂层材料。

　　3.3

　　中间涂层 intermediatecoating

　　涂覆在电工钢基体和表面涂层间，有一定厚度(小于饱和厚度)、起一定作用的功能材料。

　　若用散射法对表面涂层进行分析测试，只要中间涂层不影响测量结果，中间涂层可视为基体的 一部分。

　　4 原理

　　单位面积涂层重量(若涂层密度已知，也可以是涂层厚度)与荧光强度间存在一定关系。 对任何测量设备而言，这种关系首先需要用已知单位面积涂层重量的标准样品建立校准曲线。 若涂层密度已给定或实际密度已知，该标样的涂层重量可用涂层厚度对应表示。

　　注 1 ：涂层密度是指涂液在钢板上固化后的密度，可能与测量时涂层的理论密度不一致。 若密度与测量标准曲线采用的密度不一样，需要在测试报告中用因子来体现差异并注明。

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　　荧光强度与元素原子序数有关。 涂层与基体中可能含有多种元素，每个元素均会产生特征谱线。因此，需要调整合适的探测系统，选择一个或多个能带，以便设备能够同时测量涂层厚度和组分。

　　注 2：取向电工钢表面涂层重量测量可采用涂层中的 Cr-Kα射线，无取向电工钢表面涂层重量测量可采用涂层中

　　的 Cr-Kα或 P-Kα等射线。

　　5 测量方法

　　5 . 1 X射线激发

　　5 . 1 . 1 通则

　　利用 X射线荧光光谱法测试涂层重量(厚度)主要基于用初级 X射线照射涂层或基体作用而产生高强度的 X射线荧光。 这种作用产生了体现涂层和基体中元素特征的二次射线，这些二次射线有离散的波长或放射能，一般初级 X射线通过高压 X射线管产生。

　　5 . 1 . 2 激发

　　给 X射线管提供足够的能量和稳定的环境，会产生初级 X射线。 大多数厚度测量设备的应用电压为 25 kV~50 kV,但低原子序数涂层材料可能会降至 10 kV。一般情况下，会在 X射线管和试样间增加一个初级滤波器以减少测量的潜在偏离。

　　这种激发方式的主要特点如下：

　　a) 可在很小的测量区域上产生平行的、高能的射线束;

　　b) 能够方便地达到人身安全防护要求;

　　c) 通过电子技术获得能量稳定的散射射线。

　　5 . 2 X射线色散

　　5 . 2 . 1 通则

　　涂层厚度测量中，涂层表面散射出的 X射线荧光通常含有很多组分，一般通过波长或能量色散分离出需要的射线组分。

　　5 . 2 . 2 波长色散

　　通过晶体分光计可以筛选涂层或基体的特征波长射线。

　　5 . 2 . 3 能量色散

　　X射线通常以波长或等效能来确定。 波长 λ 与能量 E 间的关系如式(1) :

　　λ × E= 1.239 842 7 …………………………( 1 )

　　式中：

　　λ —X射线波长，单位为纳米(nm) ;

　　E—X射线光子能量，单位为千电子伏特(keV)。

　　5 . 3 X射线探测

　　用于波长色散系统的探测器可以是正比计数器或闪烁计数器。

　　用于能量色散系统、适合接收荧光光子的探测器一般由制造商根据设备应用选择。 在能量为

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　　1.5 keV~100 keV 的范围内，一般在大气环境条件下测量，可以不需要真空或氦气环境。

　　不同能量特征的荧光射线进入能量色散探测器后，多道分析器对特征谱线进行探测。

　　5 . 4 涂层重量(厚度)测量

　　5 . 4 . 1 散射法

　　使用散射法时，从涂层元素的多条特征谱线中选择一条合适的谱线，例如铬酸盐涂层中的 Cr-Kα线，用检测系统检测其荧光强度。

　　一般情况下，特征元素是指涂层中含量较大、原子序数较大且基体中不存在或可以忽略的元素。 涂层重量的零点是仅对无涂层样品测量时产生的散射线强度，又称为背底，而涂层重量的最大点是对某一“无限”厚样品进行测量时产生的散射线强度，一般是常用测量范围的 1 . 5 倍或 2 . 0 倍 。

　　通常情况下，散射的 X射线荧光强度主要取决于激发能、涂层特征元素原子序数、样品一次射线的照射面积及单位面积上的涂层重量。 若其他影响因素恒定不变，则 X射线荧光强度与涂层单位面积重量或厚度有函数关系。

　　测量电工钢涂层特征射线强度时，涂层厚度增大至饱和厚度荧光射线强度是不断增大的，如图 1a)所示。

　　5 . 4 . 2 吸收法

　　使用吸收法时，从基体元素的多条特征谱线中选择一条合适的谱线，用检测系统检测其荧光强度。当基体未涂涂层时，X射线荧光强度达到最大值，随着涂层重量的增加，射线强度不断减小，如图 1b)所示，这是因为被散射的射线荧光在通过涂层时不断衰减所致。

　　当单位面积涂层重量增加至一定值时，基体材料的特征谱线会消失，但可能仍会存在一定量的背景散射。 因此，运用吸收法检测单位面积涂层重量并不适用于有中间涂层的材料，这是因为中间涂层的吸收效应会更加显著。 吸收法一般用于薄涂层，且涂层中不含铁元素。

　　跟散射法一致的是，若其他影响因素恒定不变，则特征 X射线荧光强度与涂层单位面积重量或厚度有函数关系。

　　a)X射线散射法 b)X射线吸收法

　　图 1 涂层厚度与 X射线强度或计数率的关系示意图

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　　5 . 4 . 3 比率法

　　若条件允许，可采用吸收法和散射法分别测量基体和涂层的射线强度，将涂层厚度表示为基体和涂层的射线强度的比值。 这种方法的特点是，测量不受样品和探测器间的距离影响。

　　5 . 4 . 4 测量曲线

　　使用散射法或吸收法时，通常将强度归一化后定义射线强度与涂层单位面积重量(g/m2 ) 或厚度(μm) 的函数关系。 无涂层的基体材料强度归一化系数为 0,饱和厚度样品的强度归一化系数为 1,如图 2 所示。

　　注：大多数电工钢涂层样品的检测可使用函数区域的线性区域。

　　说明：

　　1 — 线性区域;

　　2 — 对数区域;

　　3 — 双曲线区域。

　　图 2 归一化系数与单位面积重量间的关系示意图

　　5 . 4 . 5 测量点

　　对电工钢涂层重量控制时，使用散射法或吸收法的测量点选择一般按照图 3 所示。 双面涂层测量时应区分测量面。

　　注：为评价测量面边部与中部的差异，单面同一测量路径上的测量点应不小于 3 个，若条件允许，可增加测量点数量。

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　　a)在线测量(A：65 mm~ 100 mm;B：50 mm±5 mm) b)离线测量(A：30 mm~ 100 mm;B：50 mm~ 100 mm)说明：

　　1 — 试样边部;

　　2 — 测量路径;

　　3 — 钢板中心线。

　　图 3 钢板边部、中部测量点的位置示意图

　　6 测量装置

　　测量设备硬件部分主要由 X射线发生器、分光器、准直器、射线探测器、脉冲吸收器、试样台及相应防护装置等构成。

　　测量设备软件系统主要用于测量曲线建立、测量结果处理等过程。

　　注：附录 A 和附录 B给出了制作标准样品和建立涂层重量标准曲线的参考信息。

　　7 影响因素

　　通常，在相同时间间隔内散射的量子数是不一定相同的，这就带来了计数上统计误差。 为了使这一误差降低至可接受水平，应尽可能地延长计数周期。

　　由于样品的均匀性问题，应尽可能选择较大的测量区域。

　　由于涂层可能含有多种掺杂物，基体中存在其他合金元素，容易产生与特征谱线相近或相同干扰谱线，这在测量中要尽量消除。

　　由于实际涂层密度与标准样品密度可能存在差异，一般应在测量值上乘以密度修正系数如式(2) :

　　C=C …………………………( 2 )

　　式中：

　　C —为单位面积涂层重量，单位为克每平方米或微米(g/m2 或 μm) ;

　　Cm —为实际测量的单位面积涂层重量，单位为克每平方米或微米(g/m2 或 μm) ;

　　ρs —为标准样品的涂层密度，单位为千克每立方米(kg/m3 ) ;

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　　ρc —为待测样品的涂层密度，单位为千克每立方米(kg/m3 ) 。

　　涂层表面出现油污、杂质等污染物，会造成测量结果的偏差，因此，应对待测样品进行表面处理。

　　若样品表面弯曲，应采用准直器或聚束光圈来降低弯曲弧度的影响。

　　另外，保证设备状态稳定是很有必要的。 例如，通过 X射线光管电流改变一次射线强度。

　　8 测量过程

　　8 . 1 测量前应检查试验装置的稳定性，并且注意第 6 章中的影响因素。

　　8 . 2 根据需要，定义单个测量点的测量面积及测量速度。 通常，在线测量时，单个测量点的测量面积应不小于 1 000 mm2 ,横向扫描速度应小于 25 mm/s,单个测量点的测试时间不小于 4 s;而离线测量时，单个测量点的测量面积应不小于 500 mm2 ,单个测量点的测试时间应不小于 2 s。

　　8 . 3 试样边部和中部的测试位置按照图 3 所示确定。

　　9 测量结果

　　除非另有规定，测量结果一般用单位面积表面涂层重量表示，单位为 g/m2 ,若采用涂层厚度表示，则单位为 μm。测量结果保留两位有效数字。

　　10 测量不确定度

　　测量结果的不确定度除了与测量装置有关外，还取决于标准样品的真实性、测量方式、校准曲线的准确性、实际测量的重复性以及第 6 章描述的影响因素。 进行电工钢表面涂层重量检测，应确保测量不确定度小于 10%。

　　1 1 测试报告

　　测试报告应包括以下内容：

　　a) 本标准编号;

　　b) 测试样品;

　　c) 样品的测量位置;

　　d) 测量面积;

　　e) 测量点及其平均值;

　　f) 密度修正系数(若需要);

　　g) 测量不确定度。

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　　附 录 A

　　(资料性附录)

　　涂层重量标准样品的制作

　　利用标准分析曲线实现涂层重量的测量，需要一组完整的、有梯度的标准样品，标准样品的均匀性、定值偏差等会带来测量结果的波动。

　　A.1 标准样品的制备

　　先根据选定的测量方法，确定测量的特征元素，散射法一般选择表面涂层中含量较大、原子序数较大且基体中不存在或可以忽略的元素，吸收法一般选择基体中含量较大、原子序数较大且涂层中不存在或可以忽略的元素。

　　制作 200 mm×200 mm 大小(大小可根据设备要求自行制定)电工钢基板，首先对钢板预处理，使基板表面清洁无油污，处理方式和处理时间根据实际情况调整、控制，防止钢板过度腐蚀，使钢板表面产生孔隙、漫反射等，再根据涂液的实际状况和生产工艺，在钢板基体上均匀涂覆不同厚度的涂液并固化，记录实际涂覆量，换算成单位面积涂层重量。

　　注：实际涂覆量可以通过涂覆前后的样品重量差，用万分之一天平测定，也可根据表面涂层密度与涂液密度的关系

　　进行换算，确定表面涂层重量，若表面涂层密度与涂液密度存在一定的换算关系，也可直接加入换算系数。

　　在制备的待定标准样品取样区域周围，加工均匀性“评价试样”，取样数量可由实际状况确定，至少4 块，如图 A. 1 所示，分别重复 11 次测量“评价试样”中涂层或基体的特征元素射线强度，若所有“评价样品”的射线强度测量偏差在 3%以内，则样品中间区域可作为标准样品使用。

　　说明：

　　1 — 待定样板;

　　2 — 均匀性评价样品;

　　3 — 标准样品取样区域;

　　4 — 纵向试样。

　　图 A.1 标准样品均匀性评价方式

　　根据一组梯度标准样品表面涂层重量的标准值与特征元素射线强度的关系，建立标准分析曲线，应保证分析曲线相关系数不小于 0 . 99 。

　　A.2 标准样品的不确定度

　　考虑样品表面粗糙度、孔隙及制作过程等因素，应保证标准样品标准值的不确定度低于 3%。

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　　附 录 B

　　(资料性附录)

　　涂层重量标准曲线的校准

　　标准曲线建立后应定期利用标准样品对测量曲线进行校准。

　　标准样品的涂层类型、基体组成应与待测试样的涂层、基体具有相同的化学成分、涂覆工艺及 X射线发射吸收特性。

　　标准曲线校准用标准样品应当用重量法准确测定。 可以根据实际情况，选取已定值样品定期、长期用于测量装置稳定性测量。

　　当标准曲线出现漂移时，应利用高、低含量标准样品对标准曲线进行漂移校正。