熱浸鍍鋅層厚度的磁性法測量及結(jié)果判定

江珍雅

（臺州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測研究院，浙江 臺州 318000）

熱浸鍍鋅產(chǎn)品的鍍層質(zhì)量指標(biāo)主要有3 項[1]：外觀、鍍層厚度和附著力。外觀質(zhì)量通過目測判定，而附著力一般不進(jìn)行檢測，有需要可以經(jīng)過協(xié)商，通過劃十字的試驗方法、錘擊法、銼刀法等來判定，只有鍍層厚度需要經(jīng)過檢定或校準(zhǔn)的設(shè)備來檢測。熱浸鍍 鋅層厚度測量方法[2]有非破壞法和破壞法，在無損檢測中又分磁性法、X 射線光譜法和β 射線反向散射法，其中磁性法以其簡單快速，在實際檢測中被大量采用。

磁性法[3]是測量磁體與基體金屬之間受覆蓋層影響的磁引力變化，或測量通過覆蓋層和基體金屬間磁通路的磁阻而得到鍍層的厚度值。由于受人員、設(shè)備、環(huán)境，以及樣品的表面曲率、表面清潔度、表面粗糙度、基體金屬的厚度和覆蓋層狀況等因素的影響，磁性法測量樣品鍍層的厚度值會出現(xiàn)不確定度。測量不確定度[4]是表征合理地賦予被測量之值的分散性與測量結(jié)果相聯(lián)系的參數(shù)。由于測量誤差的存在，在實際的檢測過程中，無法獲得真值，而測量不確定度是測量結(jié)果質(zhì)量的指標(biāo)，測量不確定度越小，說明測量結(jié)果與被測量值越接近，測量質(zhì)量越高。

采用磁性法測量獲得的鍍層厚度值是不是準(zhǔn)確？鍍層產(chǎn)品厚度值合格與否如何判定？怎樣才能快速地選擇優(yōu)質(zhì)的熱浸鍍鋅產(chǎn)品？這些都是在實際操作中必須面對的問題。因此，有必要對熱浸鍍鋅產(chǎn)品鍍層厚度的測量和結(jié)果評定進(jìn)行探討。

1 鍍層厚度質(zhì)量判定規(guī)則

用鍍層厚度算術(shù)平均值法來評價產(chǎn)品質(zhì)量合格與否，存在一定的缺陷，因為鍍鋅產(chǎn)品的防腐蝕性能與鋅層的厚度成正比，防腐失效理論上首先發(fā)生于鋅層最薄區(qū)，當(dāng)試樣的鍍層厚度不均，厚度值起伏較大，以算術(shù)平均值法判定產(chǎn)品質(zhì)量所存在的問題就比較突出。對于鍍層厚度極度不均的產(chǎn)品，鍍層極薄區(qū)早于防腐設(shè)計年限出現(xiàn)開豁區(qū)，從而使產(chǎn)品防腐提前失效。以算術(shù)平均值法作為一次合格與否的判定，再進(jìn)行二次判定是有必要的。在結(jié)果判定時，必須對測量不確定度進(jìn)行考量，這樣在現(xiàn)場檢測時才能選擇優(yōu)質(zhì)的熱浸鍍鋅產(chǎn)品。

為了獲得鍍層厚度的測量不確定度，要對相應(yīng)的試驗進(jìn)行測量不確定度評估，而測量不確定度的評估一般包括以下步驟：

(1) 建立數(shù)學(xué)模型。磁性法檢測鍍層厚度時，厚度值由設(shè)備直接讀出，所以數(shù)學(xué)模型為y=x，x表示被測試樣的鍍層厚度值，y表示設(shè)備讀數(shù)值。

(2) 列出測量不確定度來源。測量不確定度涉及到人、機、料、法、環(huán)五大因素，為了簡化計算過程，規(guī)定檢測任務(wù)由富有經(jīng)驗的熟練人員去執(zhí)行，即標(biāo)準(zhǔn)不確定度來源主要為兩部分：一是測量重復(fù)性和樣品狀況引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(x1)，二是檢測設(shè)備最大允許誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(x2)。

(3) 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量評定。

式(1)中s(xi)為實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差，表征測量結(jié)果分散性；xi是第i次測量結(jié)果；是n次測量的算術(shù)平均值。

式(2)中，α為儀器最大允許誤差，由于測厚儀誤差的存在，x在區(qū)間[x-α,x+α]內(nèi)各處出現(xiàn)的機會相等，而在區(qū)間外不出現(xiàn)，認(rèn)為x服從均勻分布，置信概率為100%，包含因子即

(4) 計算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

(5) 評定擴展不確定度。

式(4)中，k為包含因子(一般取2～3)，此處k=2，則U=2u(y)。

(6) 不確定度報告。采用標(biāo)準(zhǔn)試樣時，磁性法測量磁性基體上非磁性鍍層厚度的測量不確定度一般小于厚度的10%或1.5 μm，取其中較大的值[2]。如用磁性法測量某標(biāo)準(zhǔn)試樣，實測值為20 μm，則其真值包含于(20 μm -2 μm,20 μm + 2 μm)之間的概率約為95%。具體鍍層質(zhì)量厚度質(zhì)量判定的規(guī)則詳見表1。表中為實測鍍層平均厚度，U為測量不確定度，B為相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的鍍層平均厚度。

2 實際案例分析

測量儀器：MiniTest2100 涂鍍層測厚儀，磁感應(yīng)法F05 探頭，(0～150) mm 游標(biāo)卡尺。

測量儀器的最大允許誤差：±(1%讀數(shù) ± 0.7 μm)。

表1 鍍層厚度質(zhì)量判定規(guī)則Table 1 Rule for evaluating the quality of coating thickness

2.1 某熱浸鍍鋅角鋼的測量結(jié)果及分析

2.1.1 實驗條件

測量對象：5#熱浸鍍鋅角鋼1 根，材質(zhì)為Q235B。選取2 個檢測面，每個檢測面隨機測5 點。

2.1.2 數(shù)據(jù)收集及處理分析

檢測時將異常數(shù)值(離群數(shù)值)直接剔除，即負(fù)值直接剔除，獲得的數(shù)據(jù)(單位均為μm)為：88.8，76.1，75.1，44.9，74.5，60.4，98.0，88.7，50.9，51.2。

相關(guān)計算結(jié)果如下：

最小值xmin=44.9μm ；

最大值xmax=98.0μm ；

平均值=70.86μm；

標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(x1)=18.268 μm ；

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(y)=18.294μm ；

擴展不確定度U=36.59μm ，k=2。

不確定度報告(鍍層厚度值)：70.86 μm ± 36.59 μm，k=2。

在不確定度結(jié)果報告中，有效位是小數(shù)點后1 位，但是為了避免計算過程的舍入引入誤差，此處保留小數(shù)點后2 位，因此最終報告可以是“70.9 μm ± 36.6 μm，k=2”。另外，平均值修約采用四舍五入、奇進(jìn)偶不進(jìn)的規(guī)則，不確定度的修約則只進(jìn)不舍。

2.1.3 結(jié)果判定

鍍層厚度合格與否的判定還涉及到鍍層局部厚度和鍍層平均厚度這兩個概念[1]。鍍層局部厚度是指，在某一基本測量面按規(guī)定次數(shù)用磁性法所測得的鍍層厚度的算術(shù)平均值或用稱量法進(jìn)行一次測量所測得的鍍層鍍覆量的厚度換算值。鍍層平均厚度是指，對某一大件(大件是指主要表面積大于2 m2的制件)或某一批鍍鋅件抽樣后測得鍍層局部厚度的算術(shù)平均值。

結(jié)果判定時，要確定產(chǎn)品是否經(jīng)過離心處理。經(jīng)過離心處理的鋅層比未經(jīng)離心處理的鋅層致密，相應(yīng)的厚度標(biāo)準(zhǔn)也不同。當(dāng)供應(yīng)商無法提供有效材料，證明其產(chǎn)品是經(jīng)過離心處理時，現(xiàn)場檢測依據(jù)未經(jīng)離心處理的要求判定。本次檢測的對象是5#熱浸鍍鋅角鋼，由于供應(yīng)商未提供有效的證明材料，因此檢測按未經(jīng)離心處理的要求判定。而實際檢測中，大尺寸的構(gòu)件進(jìn)行離心處理的可能性也不大。表2列出本次測試相關(guān)的鍍層厚度國標(biāo)要求。由表2可知，鍍層平均厚度遠(yuǎn)大于鍍層局部厚度。本例中，直接采用鍍層平均厚度進(jìn)行結(jié)果判定。

表2 鍍層厚度的要求[1]Table 2 Requirement of coating thickness

一次判定：70.86 μm ＞ 70 μm，即x＞B，合格。

二次判定：70.86 μm -36.59 μm ＜ 70 μm，即-U＜B，不合格。

綜合判定：不合格。

2.2 某熱鍍鋅板的測量結(jié)果及分析

2.2.1 實驗條件

測量對象：1.2 mm × 1 000 mm × 1 000 mm 的普通鋅花熱鍍鋅板1 張，鍍層等厚，公稱鍍層質(zhì)量為80 g/m2。選取上下2 個檢測面(以A、B 表示)，每個檢測面隨機測10 點。

2.2.2 數(shù)據(jù)收集及處理分析

檢測時將異常數(shù)值(離群數(shù)值)直接剔除，即負(fù)值直接剔除，獲得的數(shù)據(jù)(單位均為μm)如下。

A 面：7.0,7.2,7.1,6.9,6.8,7.4,7.2,6.9,6.9,7.2。

B 面：7.1,6.9,7.2,7.2,7.1,7.2,7.1,7.2,7.1,7.2。

相關(guān)計算如下：

最小值xmin=6.8 μm ；

最大值xmax=7.4 μm ；

平均值=7.095 μ m；

標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(x1)=0.150μm；

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(y)=0.471 μm ；

擴展不確定度U=0.942μm ，k=2。

不確定度報告(鍍層厚度值)：7.095 μm ± 0.942 μm，k=2。

同樣地，最終的不確定度結(jié)果報告也可以是“7.1 μm ± 1.0 μm，k=2”。

2.2.3 結(jié)果判定

純鋅密度[1]為7.2 g/cm3，將試樣公稱鍍層質(zhì)量換算成厚度就是單面公稱厚度：

一次判定：7.095 μm ＞ 5.556 μm，即＞B，合格。

二次判定：7.095 μm -0.942 μm ＞ 5.556 μm，即-U＞B，合格。

綜合判定：合格。

3 結(jié)論

以磁性法測熱浸鍍鋅產(chǎn)品的鍍層厚度，方法簡單快速，適合現(xiàn)場操作。用磁性法獲得的鍍層厚度算術(shù)平均值來判定鍍鋅產(chǎn)品的鍍層質(zhì)量存在一定缺陷，其評定的“合格”產(chǎn)品有過早失效的風(fēng)險，所以對鍍層厚度算術(shù)平均值進(jìn)行合格與否的判定后，需要引入不確定度進(jìn)行再次判定。磁性法測量熱浸鍍鋅產(chǎn)品的不確定度主要來源于被測試樣與測量重復(fù)性，以及測量設(shè)備的最大允許誤差。只有操作熟練的檢測人員進(jìn)行檢測，被測試樣厚度均勻，測量重復(fù)性好，以及設(shè)備精度高，才能將測量不確定度限定在較小值，才能挑選出優(yōu)質(zhì)的熱浸鍍鋅產(chǎn)品。

[1]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T 13912-2002 金屬覆蓋層 鋼鐵制件熱浸鍍鋅層技術(shù)要求及試驗方法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2002.

[2]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 6463-2005 金屬和其他無機覆蓋層 厚度測量方法評述[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2005.

[3]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T 4956-2003 磁性基體上非磁性覆蓋層 覆蓋層厚度測量 磁性法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2003.

[4]國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.JJF 1059-1999 測量不確定度評定與表示[S].北京:中國計量出版社,1999.