Stahloberflächen werden vor dem Aufbringen von Schutzbeschichtungen häufig durch abrasiven Aufprall gereinigt. Das dabei entstehende Profil nach Oberfläche , das manchmal auch als „Ankermuster“ bezeichnet wird, besteht aus einem komplexen Muster aus Erhebungen und Vertiefungen, das genau bewertet werden muss, um die Einhaltung der Auftrags- oder Vertragsvorgaben sicherzustellen. Zu den gemessenen Parametern gehören die Profilhöhe, die Anzahl der Erhebungen, die Erhebungsdichte und die Zunahme der Oberfläche -Fläche (Rauheit).
In der Beschichtungsindustrie wird häufig Replikationsband zur Quantifizierung des Oberfläche -Profils verwendet. Wie bei den meisten anderen Methoden der Feld Messung-Messung lässt sich mit dem Band jedoch nur die maximale Profilhöhe bestimmen. Andere, nicht minder aussagekräftige Messgrößen der Oberfläche -Textur lassen sich mit Elektronen- oder Konfokalmikroskopen oder interferometrischen Laserprofilmessgeräten ermitteln, doch diese großen, komplexen und teuren Geräte sind für den Feldeinsatz ungeeignet.
Replikationsband liefert eine Negativkopie einer sandgestrahlten Stahl Oberfläche. In diesem Beitrag wird das Replikationsband als Quelle für weitere Oberfläche Profilparameter, die von Beschichtungsfachleuten benötigt werden, erneut untersucht. Es wird erläutert, wie sich mit einfachen, kostengünstigen Feldgeräten wertvolle neue Informationen aus dem Replikationsband gewinnen lassen.
Schlüsselwörter: Oberfläche ; Profil; Replik; Klebeband; Rauheit; Haftung; Oberflächenrauhigkeit
Eine Stahl Oberfläche , die einer Strahlreinigung unterzogen wurde, weist zufällige Unebenheiten mit Erhebungen und Vertiefungen auf, die sich nur schwer charakterisieren lassen (Abb. 1). Die Beschaffenheit der gestrahlten Oberfläche ist ausschlaggebend für die Lackhaftung. Ist die Rauheit zwischen Erhebungen und Vertiefungen unzureichend, haftet der Lack nicht. Ist die Rauheit zwischen Erhebungen und Vertiefungen zu groß, können die hohen Erhebungen durch den Lack hindurchragen und zu Korrosionsherden werden.
Fachleuten im Bereich der Beschichtungstechnik stehen verschiedene Methoden zur Oberflächen Messung e zur Verfügung, darunter Fokussiermikroskope, Oberfläche Komparatoren, Tiefenmikrometer und Taster-Rauheitsmessgeräte. Jedes dieser Geräte liefert nur einen Teil der Informationen. Es ist wünschenswert, die erforderlichen Parameter aus einer einzigen praktischen Quelle zu gewinnen. In diesem Beitrag wird Replikatband als mögliche Quelle untersucht.
Die Replikationsbandmethode ist eine seit langem bekannte Methode zur Charakterisierung einer Oberfläche. Sie ist einfach, relativ kostengünstig und weist eine gute Übereinstimmung mit den Ergebnissen anderer Methoden auf. Sie eignet sich besonders gut für Messungen an gekrümmten Oberflächen, die mit Tastermessgeräten, interferometrischem Laserscanning oder optischen Fokussiermessgeräten nur schwer direkt zu vermessen sind. Es überrascht daher nicht, dass sie sich zur beliebtesten Feldmethode für die Messung von Oberfläche Profilen entwickelt hat. Ihre Anwendung wird in einer Reihe internationaler Normen beschrieben, darunter ASTMD44171, ISO8503-52, NACERP02873 und AS 3894.54.
Replica-Klebeband besteht aus einer Schicht aus komprimierbarem Schaumstoff, die auf einem inkompressiblen Polyester-Trägermaterial mit äußerst gleichmäßiger Dicke (50 µm +2 µm) befestigt ist. Wenn der Schaumstoff gegen eine aufgeraute Stahl Oberfläche, gedrückt wird, bildet er einen Abdruck oder eine Negativreplik der Oberfläche. Der Schaumstoff kann sich auf etwa 25 % seiner Dicke vor der Kompression zusammenpressen. Wenn also die höchsten Erhebungen des Originals Oberfläche gegen das Polyester-Trägermaterial drücken, wird der vollständig komprimierte Schaumstoff seitlich verdrängt. Ebenso erzeugen die tiefsten Vertiefungen des Originals die höchsten Erhebungen im Abbild.
Legt man das komprimierte Band (Replik) zwischen die Backen eines Federmikrometers und zieht den Beitrag des inkompressiblen Polyester-Substrats (50 µm) ab, erhält man einen Wert für das durchschnittliche maximale Spitzen-Tals- Oberfläche -Rauheitsprofil (Abb. 2).
Replikationsband ist in verschiedenen Stärken erhältlich, um die Profil Messung ion in unterschiedlichen Bereichen zu ermöglichen. Der Hauptbereich für die Messung mit Replikationsband liegt bei 20 bis 115 µm und wird durch die folgenden zwei Bandqualitäten abgedeckt:
Seit Ende der 1960er Jahre wird Replikationsband zur Messung des Rauheitsprofils von sandgestrahltem Stahl verwendet. Im Vergleich zu anderen Verfahren bietet es die Vorteile der Robustheit, relativ geringer Anschaffungskosten, guter Re Wiederholbarkeit s sowie der Möglichkeit, ein physisches Abbild der zu untersuchenden Oberfläche ( Oberfläche ) aufzubewahren. Das Verfahren ist weit verbreitet und allgemein bekannt.
Ein weiterer, manchmal unterschätzter Vorteil besteht darin, dass bei der Replikationsmethode – im Gegensatz zu Verfahren mit spitzen Sonden – ein zusammenhängender zweidimensionaler Bereich abgetastet wird, der groß genug ist, um aussagekräftige statistische Ergebnisse zu liefern. Ein einzelner Scan mit einem elektronischen Rauheitsmessgerät ( Oberfläche ) erfasst beispielsweise eine Linie entlang einer sandgestrahlten Oberfläche ( Oberfläche ), die 12,5 mm lang und 10 µm breit ist, was einer Gesamtfläche von 0,12 mm² entspricht. Ein einzelnes Replikat aus Kunststoffschaum erfasst etwa 31 mm², eine Fläche, die 250-mal größer ist.
Neben diesen Vorteilen gibt es aber auch Nachteile. Am bemerkenswertesten ist die Tatsache, dass es sich bei dieser Replikationsmethode und der damit verbundenen Dickenbestimmung um analoge Verfahren handelt und dass jede Sorte oder Dicke von Klebeband nur über einen begrenzten Bereich der Profilhöhe genau ist. Um den für die Beschichtungs- und Auskleidungsbranche interessantesten Profilbereich (ca. 20 bis 115 µm) abzudecken, sind zwei Bandqualitäten erforderlich, "Coarse" und "X-Coarse".
An unfortunate characteristic of replica tape is that measurements are most accurate near the middle of each grade's range and least accurate at the outer ends of each grade's range (Fig.3). That is why two other grades, Coarse Minus (<20 µm) and X-Coarse Plus (>115 µm), are used to check and, if necessary, adjust measurements at the lower and upper ends of the primary range.
Der Grund für den Verlust der Linearität at am Ende des Bereichs jeder Bandgüte hängt damit zusammen, wie sich das Band in diesen Dickenbereichen komprimiert. Jede Banddicke bzw. -güte verliert an Genauigkeit, wenn sich die zu reproduzierenden Spitzen der vollen Dicke des Reproduktionsschaums nähern. Bei der Messung mit einem Mikrometer werden die Spitzen leicht komprimiert, was einer Art Mittelwertbildung der Spitzenhöhen entspricht. Dies schränkt Genauigkeit at das obere Ende des Bereichs einer Güte ein. Die Begrenzung Genauigkeit at des unteren Endes des Bereichs ergibt sich daraus, dass der Replikationsschaum – ähnlich wie ein fest zusammengedrückter Küchenschwamm – einen Zustand voller Kompression erreicht und sich möglicherweise ein wenig entspannt (Abb. 4). Das Ergebnis, sei es at am oberen oder unteren Ende, ist, dass das Verhalten des Replikationsschaums bei Kompression nicht linear mit dem Kompressionsgrad zusammenhängt.
Das obere Ende des Bereichs der Körnung „Coarse“ und das untere Ende des Bereichs der Körnung „X-Coarse“ weisen einen gemeinsamen „Überlappungsbereich“ von 38–64 μm auf (Abb. 3 und 5). Die aktuellen Anweisungen unter Testex beschreiben ein relativ kompliziertes und zeitaufwändiges Verfahren (im Durchschnitt ein Messwert mit der Körnung „Coarse“ und ein Messwert mit der Körnung „X-Coarse“), mit dem die Unterbereiche „Coarse“ und „X-Coarse“ miteinander verknüpft werden, um über den größeren Bereich von 20 bis 115 μm hinreichend genaue Messergebnisse zu erzielen. Dieses Verfahren stellt einen Kompromiss zwischen Genauigkeit und Benutzerfreundlichkeit dar.
Alternativ können die durch die Nichtlinearität und den begrenzten Messbereich dieser beiden Bandqualitäts-Teilbereiche bedingten Einschränkungen durch einen Prozessor mithilfe von „Nachschlagetabellen“ ausgeglichen werden. Bei einem einfachen Federmikrometer (Abb. 6) ist dies jedoch nicht möglich. Elektronische Messgeräte mit leistungsstarken Prozessoren bieten dem Anwender die Möglichkeit, entweder die herkömmliche direkt Messwert e der Replikatdicke (H) anzuzeigen oder selbst einen Korrekturwert anzuwenden und eine linearisierte Messung der Profilhöhe (HL) des „ Oberfläche “ anzuzeigen.
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Der Prozessor des Geräts führt den Anwender, wenn er auf den „linearisierten“ Modus Modus HL umgeschaltet wird, durch alle erforderlichen Messungen (wobei in der Regel das Einlegen einer einzigen Replik der Körnung „Coarse“ oder „X-Coarse“ erforderlich ist) und liefert einen Wert Messung , der um das nichtlineare Ansprechverhalten des Schaums bereinigt ist. Diese Linearitätsanpassung ist in der Regel gering (in der Größenordnung einer Abweichung von standard ), doch die Hauptvorteile der Signalaufbereitung des Geräts liegen in einer Verringerung der Messunsicherheit ( Messung ), einer Entlastung des Prüfers und einer Verringerung der Fehlerwahrscheinlichkeit sowie einer Reduzierung der Anzahl der Replikate, die Prüfer benötigen, um die Messgenauigkeit ( Genauigkeit) sicherzustellen. Da zudem jede Bandqualität tatsächlich über einen größeren Bereich funktioniert als auf dem Etikett angegeben, kann die Qualität „X-Coarse“ mit geeigneten Anpassungsfaktoren zur Profilmessung im nominalen „Coarse“-Bereich verwendet werden und umgekehrt.
So interessant diese verbesserten Informationen zur Profilhöhe auch sind, so enthalten doch die 31mm²großenOberfläche der Replik noch mehr Daten zur Charakterisierung von „ Oberfläche “. Durch die digitale Bildgebung stehen bedeutende neue Daten zur Verfügung.
Eine Eigenschaft des Bandes, die mit seiner Fähigkeit, Oberflächen zu replizieren, zusammenhängt, ist die Erhöhung der optischen Transmission des Bandes, wenn es komprimiert ist. Die Lichtdurchlässigkeit ist proportional zum Grad der Kompression. Ein Foto eines von hinten beleuchteten Stücks Replikationsband zeigt helle Bereiche mit höherer Kompression (Spitzen) und dunkle Bereiche mit geringerer Kompression (Täler) (Abb. 7a).
Anhand dieses Transparenzprinzips lassen sich die Spitzenanzahl bestimmen, indem einfach die hellen Punkte auf dem Abdruck gezählt werden, der mit einem digitalen Bild Sensor aufgenommen wurde. Diese Helligkeitsmessungen (die jeweils in ihrer Größe mit der 5-Mikrometer-Sonde eines Nadelprofilmessgeräts Messung vergleichbar sind) entsprechen Dickenmessungen, die wiederum das Profil des Originals widerspiegeln Oberfläche. Ein Gerät mit einem Prozessor, auf dem ein geeigneter Algorithmus läuft, kann Spitzen erkennen und die flächeneigene Spitzendichte bestimmen, d. h. wie viele Spitzen pro Quadratzentimeter vorhanden sind (Pd), wie in ASME B46.15 definiert.
Im Gegensatz zu Tasterprofilmessgeräten berechnen Replikaband-Spitzenzähler – ebenso wie empfindliche und teure interferometrische optische Profilmessgeräte in Laborqualität – echte zweidimensionale Spitzendichten. Tasterprofilmessgeräte messen lediglich eine einzelne Linie auf einer aufgerauten Oberfläche , und die meisten Merkmale, die sie als „Spitzen“ erfassen, sind in Wirklichkeit „Spitzenschultern“, bei denen der Taster nicht über die Spitze, sondern über die Seite der Spitze gefahren ist.
Ein weiterer Vorteil dieser Aufnahmen besteht darin, dass zur Ableitung der einzelnen „ Messung “ mehr Daten verwendet werden (1.000.000 Punkte für eine einzelne Replikationsband- Messung -Aufnahme gegenüber 5.000 Punkten für einen einzelnen 2,5-cm-Nadelabtastvorgang). Zudem erfolgt all dies mit einem robusten Feldmessgerät, das mit kostengünstiger Hardware charakteristische Daten der „ Oberfläche “ liefert, die mit denen von Laborgeräten vergleichbar sind.
Weitere Parameter zur Charakterisierung von „ Oberfläche “ lassen sich potenziell ableiten, sobald das Verhältnis von Dicke zu Transparenz mithilfe von 3D-Rendering- Software auf die Auswertung des Intensitätsbildes angewendet wurde. Das Ergebnis sind dreidimensionale Karten des gestrahlten Stahls Oberfläche at – und das zu weitaus geringeren Kosten als bei interferometrischen Profilmessgeräten (Abb. 7b).
Zwar sind die Spitzenhöhe und die Spitzenanzahl Faktoren, die die langfristige Haftung von Beschichtungen beeinflussen, doch tragen beide zu einem grundlegenderen Parameter bei: der entwickelten Oberflächen Oberfläche 6, auch Sdr genannt.
Anhand von 3D-Bildern lässt sich die Zunahme der „ Oberfläche “-Fläche messen, die durch einen Strahlvorgang entsteht. Sdr ist ein 3D-Feldparameter, der eine funktionale Korrelation zur Anwendungstechnik herstellt, indem er Fachleuten im Bereich Beschichtungen einen Rauheitswert liefert – die durch das Strahlen geschaffene zusätzliche „ Oberfläche “-Fläche als prozentuale Zunahme (tatsächliche Fläche / x-y-Fläche)⁷.
Ein einfaches und kostengünstiges tragbares Gerät, das mit Dicken- und Bildsensoren arbeitet, kann Replikband charakterisieren und Bilder sowie statistische Daten des Originals erstellen Oberfläche. Zu diesen Parametern gehören:
H– Der Durchschnitt der maximalen Abstände zwischen Spitzen und Tälern, die durch Messung der Dicke des Replikatbands mit einem Mikrometer oder einem Dicken Sensor ermittelt wurden.
HL– Ein präziseres Verfahren zur Bestimmung der Höhe zwischen Spitze und Tal ( Messung ), das um die Nichtlinearität des Bandes bereinigt ist, ohne dass zwei oder mehr Repliken gemittelt werden müssen. Diese Methode hat den zusätzlichen Vorteil, dass der Messbereich jeder Replikbandqualität erweitert werden kann.
Pd - Flächenbezogene Spitzendichte gemäß ASME B46.1. Dieser Wert wird häufig als Indikator für die Menge an mechanischer Haftung genannt, die zur Verankerung von Schutzschichten zur Verfügung steht.
Sdr– Das Verhältnis der entwickelten Grenzflächenfläche, ausgedrückt als prozentualer Anteil der zusätzlichen Oberfläche Fläche, die durch die Textur im Vergleich zu einer idealen Ebene in der Größe des Bereichs Messung entsteht. Abbildungen – 2D- und 3D-Darstellungen der Replik-Band- Oberfläche zu Dokumentationszwecken.
1ASTMD4417 „Standard -Prüfverfahren zur Feld Messung des Oberfläche -Profils von strahlgereinigtem Stahl“ (ASTM International, 100 Barr Harbor Drive, West Conshohocken, PA 19428)
2ISO8503-5 „Vorbereitung von Stahluntergründen vor dem Auftragen von Anstrichstoffen und verwandten Produkten – Oberfläche Rauheitsmerkmale von strahlgereinigten Stahluntergründen – Teil 5: Replikat-Klebebandverfahren zur Bestimmung des Oberfläche Profils“ (Internationale Organisation für Normung (ISO), 1 rue de Varembé, Case postale 56, CH-1211, Genf 20, Schweiz)
3NACE- Standard -RP0287-2002, „Feld Messung en des Oberfläche -Profils von durch Strahlen gereinigten Stahloberflächen unter Verwendung von Replica-Klebeband“. (National Association of Corrosion Engineers (NACE), 1440 South Creek Dr., Houston, TX, USA 77084-4906)
4Australische Norm„ Standard “ AS 3894.5-2002, „Vor-Ort-Prüfung von Schutzbeschichtungen, Verfahren 5: Bestimmung des Profils der „ Oberfläche ““. (Standards Australia, GPO Box 476, Sydney NSW 2001, Australien)
5ASMEB46.1-2009 „Oberfläche textur (Oberfläche -Rauheit, Welligkeit und Lage)“ (The American Society of Mechanical Engineers, Three Park Avenue, New York, NY 10016-5990, USA)
6ISO25178-2 „Geometrische Produktspezifikationen (GPS) – Textur nach der Methode „ Oberfläche “: Flächenhaft – Teil 2: Begriffe, Definitionen und Oberfläche Texturparameter“ (Internationale Organisation für Normung (ISO), 1 rue de Varembé, Postfach 56, CH-1211, Genf 20, Schweiz)
7C.A. Brown und S. Siegmann, "Fundamental scales of adhesion and area-scale fractal analysis," International Journal of Machine Tools and Manufacture, 41 (2001) 1927-1933
DerAutor möchte sich für die Unterstützung durch Leon Vandervalk von DeFelsko und Bob Stachnik von Testex bedanken.
DAVID BEAMISH(1955 – 2019), ehemaliger Präsident der DeFelsko Corporation, einem in New York ansässigen Hersteller von weltweit vertriebenen Handmessgeräten für die Korrosionsprüfung ( Beschichtung ). Er verfügte über einen Abschluss in Bauingenieurwesen und mehr als 25 Jahre Erfahrung in der Entwicklung, Herstellung und Vermarktung dieser Prüfgeräte in verschiedenen internationalen Branchen, darunter Industrielackierung, Qualitätsprüfung und Fertigung. Er leitete Schulungsseminare und war aktives Mitglied verschiedener Organisationen, darunter NACE, SSPC, ASTM und ISO.
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