[发明专利]一种电镀层应力测量装置

说明书

一、技术领域

本发明涉及力的测量，特别是一种用于测量电镀层内应力的装置。

二、背景技术

众所周知，随着精密电铸和微电铸技术的出现，许多形状复杂、精度要求高的的机械和模具部件都采用电铸工艺制做。在电铸过程中，铸件镀层会产生内应力，一旦此应力过大，会使铸件变形报废，给生产造成经济损失。铸件镀层应力与电镀的工艺条件密切相关，受到电流密度、温度、镀液中金属离子及各种添加剂成分含量等工艺参数影响，而这些参数在电铸过程中会不断变化，因此要在整个电铸过程中，每隔一定时间从镀槽的镀液中取样，测量该样液在给定工艺条件下所产生的镀层的应力，根据应力的变化随时调整镀槽中镀液相应的工艺参数，以控制镀件应力形变不超出要求。

现有镀层应力检测标准规定检测的是镀层应力的类型(拉应力或压应力)和水平应力(即应力的水平分量)的数值。

目前国内外普遍使用的镀层应力测量装置为日本山本公司生产的螺旋收缩测量仪。该测量仪所采用的应力测量元件，是用厚0.15～0.2mm、宽13mm的弹簧钢片绕制成的外圈直径20mm、高80mm的螺旋弹簧片。该螺旋弹簧片内表面绝缘，外表面电镀。螺旋弹簧片下端固定，上端活动端通过传动轮带动一指针转动。该装置的工作原理是，将螺旋弹簧片置入待测镀液中，外表面形成镀层后产生的应力，使螺旋弹簧片产生转矩，径向转动，带动指针转动。指针转动的角度与镀层应力在螺旋弹簧片上形成的转矩大小成正比，根据指针偏转角度和镀层厚度(根据螺旋弹簧片的尺寸和电镀后的增重计算得出)计算出应力值，此应力值即为测量规范要求的镀层水平应力(因垂直应力对螺旋弹簧片形变不起作用)；同时根据指针相对零点“+”、“-”转动方向确定应力的类型是拉应力还是压应力。

上述螺旋收缩测量仪在使用过程中存在两个缺点：

一是测量时间长。如用其测量镍和镍钴合金电铸件镀层应力，螺旋弹簧片镀层厚度只有达到18-24μm，待测应力才能进入稳定状态。而镀层达到如此厚度，在电流密度为2-3A/dm²的条件下，需要电镀30-60分钟。加上前期的准备工序和后期的镀层厚度及应力的计算，一个测量周期往往要1.5小时以上。导致该缺点的原因，主要是在电镀初期，螺旋弹簧片在气泵搅动下抖动，其带动的指针摆动，指示不稳，也不准确；同时，在开始电镀的10-15分钟，因镀层应力小，螺旋弹簧片形变力小，不能有效消除指针传动轮静摩擦的影响，使仪器所测数值分散，有时为零，有时波动为稳态值的几倍，一般需在20分钟以后才能进入一个相对单调变化的稳态过程。

第二个缺点是在低应力范围使用灵敏度低，测量误差大。据美国ASTM B636-84(2001修订版)标准指出，该测量仪在镀层应力小于10N/mm²，指针偏转角接近零点时，其镀层应力测量值重现性误差可达5N/mm²。其原因，一是如上所述，螺旋弹簧片在带动指针转动时要克服存在的机械磨擦，在镀层应力较小时，螺旋弹簧片所受形变力小，此时机械静磨擦起的作用相对较大，使测量误差相对较大；二是为增加电镀层与螺旋弹簧片的结合力，事先必须对螺旋弹簧片进行预镀，导致在螺旋弹簧片上存有预镀残留应力，该残留应力会使仪器指针在零点产生较大的漂移。

CN 1005592号中国专利披露了一种涂镀层厚度动态测量装置。该装置由电镀电源、交流激磁电源和传感器组成，其传感器包括一个构成闭合磁回路的磁敏件，在磁敏件的磁回路孔上绕有与磁回路相耦合的初级激磁绕组和次级感应绕组，初级激磁绕组与交流激磁电源相接，次级感应绕组与放大器相接。使用该装置进行镀层厚度测量时，将测量传感器的磁敏件与电镀工件同时置于镀槽中，磁敏件与工件处于相同的电镀工艺条件，利用磁敏件在封闭型镀层应力作用下磁导率发生变化引起传感器输出电压变化和镀层应力随镀层厚度变化的特性，在线测量镀层的厚度。此专利说明书虽也提到该装置也可用来在线测量镀层应力，但未说明具体测量及标定方法。因其传感器的磁敏件的整个表面(包括磁回路孔的孔壁)未加任何绝缘，电镀时形成的是一个界面形状复杂连续的封闭曲面镀层，应力组成非常复杂，既不能确定应力的类型是拉应力还是压应力，也无法利用现有的镀层应力测量方法进行定量比对和标定，与现有的镀层应力检测规范无法对接。故其尚不能用于符合检测标准规范的镀层应力测量。

三、发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的缺陷和不足，提供一种符合现有镀层应力检测标准规范、测量周期短、在低应力范围内使用测量精度高的电镀层应力测量装置。