Perfil de superficie: comparación de métodos de medición

Resumen:

El rendimiento del recubrimiento está relacionado con la altura del perfil en una superficie de acero. Hay tres tipos de dispositivos disponibles para tomar medidas de este perfil de superficie: cinta de réplica, micrómetros de profundidad equipados con sondas puntiagudas y probadores de rugosidad con palpador. Este artículo presenta los resultados de un análisis reciente de las mediciones tomadas por los tres tipos de dispositivos en acero granallado con una variedad de medios de granallado y propone un nuevo método de medición de micrómetros de profundidad llamado promedio de los picos máximos.

Introducción

Las superficies de acero se limpian con frecuencia por impacto abrasivo antes de la aplicación de revestimientos protectores. Este proceso elimina los recubrimientos anteriores y endurece la superficie para mejorar la adhesión del recubrimiento. El perfil de superficie resultante, o patrón de anclaje, está compuesto por un patrón complejo de picos y valles que deben evaluarse con precisión para garantizar el cumplimiento de las especificaciones del trabajo o del contrato.

Los profesionales de recubrimientos protectores tienen varios métodos de prueba disponibles para determinar la cantidad de perfil de superficie. Se dispone de poca información para ayudarles a seleccionar un instrumento o comparar los resultados de diferentes métodos.

Métodos de medición

Una superficie de acero después de la limpieza con chorro de arena consiste en irregularidades aleatorias con picos y valles que no se caracterizan fácilmente. Los instrumentos que pueden medir este perfil con un alto grado de precisión, como los microscopios electrónicos de barrido, son adecuados solo para uso en laboratorio. Los métodos de campo son deseables. Los rangos de perfil de superficie se especifican con frecuencia y el perfil de superficie recomendado es diferente para varios tipos de recubrimientos.

La determinación del perfil de la superficie depende de su definición. ISO1 8503-12 la define como la altura de los picos principales en relación con los valles principales. ASTM3 D71274 lo describe como las desviaciones verticales positivas y negativas medidas desde una línea media, aproximadamente el centro del perfil que se evalúa. ASTM D4417-115 actualmente no define el perfil en absoluto, pero describe 3 métodos de medición diferentes (comparadores de perfil A, micrómetros de profundidad B y cinta de réplica C).

Fig.1 Métodos de medición del perfil de superficie de ASTM

La industria no tiene estándares de perfil con valores trazables a un Instituto Nacional de Metrología. Si lo hicieran, los instrumentos podrían verificarse con esos estándares, podrían publicarse declaraciones de precisión y los usuarios tendrían un medio para correlacionar sus resultados. Los estándares podrían determinar la relación de los valores obtenidos de la cinta de réplica con los obtenidos de los micrómetros de profundidad, etc.

Al no tener estándares físicos, la industria ha optado por un método de arbitraje. NACE6, ASTM e ISO describen la altura del perfil de la superficie como la distancia medida desde la parte superior del pico más alto hasta la parte inferior del valle más bajo en el campo de visión de un microscopio óptico. Un microscopio se enfoca en el pico más alto dentro del campo de visión. La distancia recorrida por la lente para enfocar el valle más bajo dentro del mismo campo de visión es una única medida de la altura del perfil. La media aritmética de 20 de tales mediciones da como resultado la altura media máxima de pico a valle. En otras palabras, el promedio de los picos máximos.

Fig.2 Imagen generada por computadora de una superficie de acero limpiada con chorro de arena (izquierda). Una superficie arruinada (derecha).

El método del microscopio no es práctico en el campo, por lo que las principales organizaciones apoyan una serie de métodos alternativos que son prácticos y utilizados habitualmente por los inspectores.

ISO fabrica comparadores de perfiles de superficie para acero granallado con granalla o granalla abrasiva7 que se basan en el método del microscopio de enfoque. Utilizando medios visuales o táctiles, el usuario compara la superficie de acero con el perfil de cada segmento del comparador para aplicar una calificación adecuada de “fino”, “medio” o “grueso”. El Anexo B de la Norma ISO 8503-5 muestra que existe una buena correlación entre estos comparadores y la medición mediante métodos de réplica de cinta y lápiz óptico. No existe un método ISO para micrómetros de profundidad ni deben usarse micrómetros de profundidad para medir en comparadores de perfil debido a la falta de planitud de los comparadores.

NACE RP0287 también muestra que las medidas de la cinta de réplica y del microscopio de enfoque coinciden dentro de sus límites de confianza (dos desviaciones estándar) en 11 de 14 casos.

Cinta de réplica

La cinta de réplica es simple, relativamente económica y muestra una buena correlación con los resultados del microscopio de enfoque. No es de extrañar entonces que se haya convertido posiblemente en el método de campo más popular para medir el perfil de la superficie.

La cinta de réplica consiste en una capa de espuma comprimible adherida a un sustrato de poliéster incompresible de espesor muy uniforme (2 mils +0,2 mils9). Cuando se presiona contra una superficie de acero rugoso, la espuma se colapsa y forma una impresión de la superficie. Colocando la cinta comprimida entre los yunques de un medidor de espesor micrométrico y restando la contribución del sustrato incompresible, 2 mils, da una medida del perfil de la superficie.

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Fig.3 Cinta de réplica

Según la norma ISO 8503-5 “Este método mide un 'perfil máximo promedio de pico a valle' porque los yunques del medidor micrométrico aplanan ligeramente el perfil de la réplica de modo que la lectura equivale a un valor máximo promedio, aunque este no es el mismo como un promedio matemático ". Entonces, nuevamente, tenemos un método que esencialmente mide el promedio de los picos máximos.

En los últimos años, otros dos métodos de medición de perfiles han ganado popularidad: el probador de rugosidad con palpador (Stylus - ASTM D7127) y el micrómetro de profundidad (ASTM D4417 Método B). Las versiones electrónicas de estos instrumentos tienen la ventaja de reducir la influencia del operador y la recopilación y análisis digital de datos de medición.

Instrumentos de rugosidad de aguja

Un dispositivo portátil de medición de la rugosidad de la superficie de la aguja funciona dibujando una aguja a velocidad constante a través de la superficie. El instrumento registra las distancias hacia arriba y hacia abajo que recorre el lápiz a medida que atraviesa la superficie. Mide Rt de acuerdo con ISO 428710, donde Rt es la distancia vertical entre el pico más alto y el valle más bajo dentro de cualquier longitud de evaluación dada de 0,5 pulgadas. Se realizan cinco de estos trazos y se promedian los valores de Rt para obtener nuevamente el promedio de los picos máximos.

Fig.4 Instrumentos de rugosidad de la aguja (los instrumentos que se muestran son similares a los utilizados en este estudio)

Micrómetros de profundidad de perfil de superficie

Un instrumento de micrómetro de profundidad tiene una base plana que descansa sobre la superficie y una sonda cargada por resorte que cae en los valles del perfil de la superficie. La base plana descansa sobre los picos más altos y cada medida es, por lo tanto, la distancia entre los picos locales más altos y el valle particular en el que se ha proyectado la punta.

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Fig.5 Micrómetros de profundidad (los instrumentos que se muestran son similares a los utilizados en este estudio)

Actualmente, ASTM D4417 requiere que el usuario promedie todas las mediciones del micrómetro de profundidad sin importar cuán bajas puedan ser algunas lecturas. Como era de esperar, los resultados finales calculados suelen ser inferiores a los obtenidos con los métodos de cinta y lápiz óptico. Este estudio confirmó esa suposición (Figura 12). En ocasiones, uno de los instrumentos registraba valores iguales o superiores a los resultados de la cinta, pero esa era la excepción.

El comité D01.46 de ASTM completó una evaluación por turnos de 11 laboratorios de precisión y sesgo para este método al hacer que los participantes midieran cinco paneles de prueba de acero pulido con cinta de reproducción y tres instrumentos de lápiz. Seleccionaron instrumentos de aguja que tuvieran un rango vertical adecuado para que fueran útiles para la medición de superficies comparativamente rugosas de interés para la industria de revestimientos y revestimientos. Aun así, el perfil de algunos de los paneles superó los límites de medición de algunos de los instrumentos seleccionados.

Los resultados preliminares confirmaron una estrecha relación entre la cinta de réplica y los métodos de rugosidad de la aguja tal como concluyó ISO. Cuando los resultados se publiquen el próximo año, los profesionales de la industria tendrán acceso a datos de correlación confiables.

Eso deja solo el método del micrómetro de profundidad sin un estudio de comparación. Para proporcionar correlación entre los tres tipos de dispositivos, este documento propone que las mediciones de micrómetros de profundidad se analicen utilizando un método que produce resultados similares a los de cinta y lápiz óptico y es consistente con sus objetivos de medición, un método llamado "promedio de los picos máximos".

Para obtener este valor, el perfil se mide en un número suficiente de ubicaciones para caracterizar la superficie, típicamente cinco. En cada ubicación, se toman diez lecturas y se registra la lectura más alta. El promedio (media) de todas las ubicaciones se informa como el perfil de la superficie.

El impulso para este estudio provino de las pruebas preliminares del año pasado en paneles ASTM con un solo instrumento de micrómetro de profundidad. Como se muestra en la figura 6, cuando se utilizó el promedio del método de análisis de picos máximos, los resultados de los micrómetros de profundidad se alinearon estrechamente con los resultados de la cinta y la aguja.

Fig.6 Resultados preliminares en 5 paneles ASTM

Resumen de la prueba

Para confirmar estos resultados, se obtuvieron veinte paneles chorreados con tipos de medios comunes de KTA Labs11 y se adquirieron cinco micrómetros de profundidad comunes. Cinco personas tomaron 50 mediciones en cada panel con cada instrumento en un entorno de oficina controlado para un total de 5,000 lecturas.

Se tomaron un mínimo de 3 réplicas de medidas de cinta en cada panel y se promediaron. Cuando los resultados cayeron en las regiones exteriores del rango de la cinta, se obtuvieron medidas adicionales con el siguiente nivel de cinta y se promediaron según las instrucciones del fabricante. Las mediciones de la rugosidad de la aguja se obtuvieron a partir de tres instrumentos de campo comunes para comparar. Finalmente, las lecturas de metal base (BMR) de cada panel se obtuvieron a partir de medidores de espesor de revestimiento magnético Tipo 1 y Tipo 2.

Fig.7 Ubicaciones de medición del panel para cada método

Instrumentos DFT

Las sondas DFT miden la distancia desde la punta de la sonda hasta el plano magnético en el acero. En acero liso, el plano magnético coincide con la superficie del acero. En acero en bruto, el plano magnético se encuentra en algún lugar entre el pico más alto y el valle más bajo del perfil, una ubicación que puede diferir según el tipo de instrumento. Por lo tanto, la rugosidad generalmente hace que los instrumentos DFT lean un valor alto o positivo.

SSPC-PA 2 y otras normas requieren que se aplique un factor de corrección para compensar este efecto de rugosidad. Por lo general, se coloca una cuña de plástico sobre el perfil desnudo y se mide con el medidor DFT. El calibre se ajusta para que el resultado coincida con el grosor de la cuña. La cuña simula la acumulación de pintura sobre los picos y el ajuste asegura que las medidas del espesor de la pintura se tomen del nivel promedio de los picos del perfil, en lugar del plano magnético.

Para cuantificar el efecto del perfil en los calibres DFT, se tomaron medidas en todos los paneles con instrumentos de Tipo 1 (extracción mecánica) y Tipo 2 (electrónicos) después de comprobar primero a cero en acero liso y plano. Se registró el resultado promedio de cinco mediciones para cada panel.

El instrumento de Tipo 1 fue el menos afectado por el perfil y midió un máximo de 0,3 milésimas de pulgada en la superficie más rugosa. El instrumento de Tipo 2 midió entre un mínimo de 0 en la superficie granallada con perlas de vidrio y un alto de 1,2 milésimas de pulgada en la superficie granallada S390. En general, el instrumento DFT dio resultados de espesor que oscilaron entre 1 y 26% de alturas de perfil de superficie medidas con cinta de réplica, con un promedio de 13% en todos los paneles.

Figura 8 Resultados del medidor DFT comparados con los resultados de la cinta de réplica

Observaciones generales: medición del perfil de superficie

Alguna rugosidad de la superficie excede las capacidades de medición de los métodos de cinta y lápiz. Las buenas prácticas sugieren que los grados comerciales de cinta permiten medir perfiles promedio de pico a valle de entre 0,5 y 5,0 milésimas de pulgada. Todos los micrómetros de profundidad utilizados en el estudio tenían rangos extendidos adecuados para medir superficies de acero granallado y no alcanzaban el "máximo" en ninguno de los paneles.

Varios paneles tenían áreas donde todos los tipos de instrumentos producían valores de alto perfil. Estas variaciones pueden deberse a la naturaleza inconsistente de la voladura a mano. Se puede suponer que las superficies más grandes tendrían irregularidades similares.

No fue posible probar con cada dispositivo en la misma ubicación exacta en cada panel (Figura 7). La cinta de réplica examinó un área relativamente grande, por lo que se requirieron menos mediciones para caracterizar adecuadamente la superficie. Los métodos de lápiz óptico y micrómetro de profundidad tienen sondas de punta fina que muestrean un área de superficie mucho más pequeña y, por lo tanto, requieren más mediciones para caracterizar adecuadamente una superficie. Las guías ISO, ASTM, NACE y SSPC tienen esto en cuenta.

Todos los métodos requerían configuración inicial y verificación de precisión antes de que comenzaran las pruebas.

El método de la cinta de réplica requería que se verificara una precisión micrométrica con un espesor conocido, como una cuña de plástico, y su cuadrante retrocedió 2 milésimas de pulgada para tener en cuenta la capa de plástico no comprimible. Se tuvieron que hacer pequeños ajustes durante la prueba para compensar la desviación del micrómetro.

Los probadores de rugosidad con palpadores requerían la mayor configuración. Se ingresó la longitud de evaluación adecuada, se establecieron parámetros de informe como Rpc (recuento de picos) y Rt (altura máxima de pico a valle en una longitud de evaluación), y el instrumento tuvo que colocarse con cuidado sobre la superficie de acero granallado.

Los micrómetros de profundidad se comprobaron a cero en una placa de vidrio y en una cuña de espesor conocido antes y después de cada serie de 50 mediciones. Ningún instrumento se desvió de cero durante la prueba.

Se observaron círculos en algunos paneles después de probar con cinta de réplica. Se cree que fueron el resultado de partículas microscópicas que quedaron impresas en la espuma y fueron arrastradas cuando se despegó la espuma. Se observaron rayones en algunos paneles después de probar con los instrumentos de lápiz. Se cree que la superficie de acero se modificó ligeramente cuando se arrastró la aguja con punta de diamante sobre los picos (Figura 9).

Fig.9 Una foto ampliada 400x de acero pulido con granate con un rasguño

Durante las pruebas, queda claro que los resultados de la medición del perfil de superficie individual son menos repetibles y tienen una mayor variación de la que los usuarios esperan de otras formas de medición industrial, como el espesor de película seca (DFT), la temperatura o las pruebas de brillo. Si bien se puede esperar que dos mediciones de DFT sean muy cercanas, dos mediciones de perfil de superficie pueden diferir considerablemente. Tal es la naturaleza de una superficie arruinada.

Por ejemplo, en un panel chorreado con una mezcla de arenas de estaurolita gruesas y finas, las medidas de la cinta de réplica variaron entre 1.8 y 2.9 milésimas de pulgada, los instrumentos de aguja entre 1.8 y 2.8 milésimas de pulgada y micrómetros de profundidad entre 0 y 5.6 milésimas de pulgada. Sin embargo, los tres métodos dieron resultados finales de “promedio de los picos máximos” de aproximadamente 2,5 milésimas de pulgada.

Sin embargo, con la misma frecuencia, los tres métodos arrojaron resultados que no fueron tan cercanos. Los resultados de la cinta y el lápiz a veces variaban hasta en 30%. En 2 paneles chorreados con perdigones S280 y óxido de aluminio de malla # 100, la cinta de réplica leyó 2,7 milésimas de pulgada en ambos, mientras que el método de la aguja promedió 2,2 milésimas de pulgada en ambos. A la inversa, en la arena de sílice BX-40, la cinta de réplica leyó 1,5 milésimas de pulgada, mientras que el método de la aguja promedió 1,9 milésimas de pulgada. Los valores promedio obtenidos de tres instrumentos de lápiz fueron más altos que los valores de la cinta de réplica en los 4 paneles pulidos con chorro de arena y más bajos en todos los paneles pulidos con óxido y granallado. Consulte la figura 12 para ver un resumen de los resultados de la réplica de cinta frente a lápiz óptico.

Observaciones: medición de micrómetros de profundidad

Se observaron los siguientes puntos al realizar mediciones de perfil de superficie con los micrómetros de profundidad:

Contaminante de superficie suelta: varios paneles generaron mediciones de valores atípicos altos que no se utilizaron en el análisis final. Los participantes informaron que los instrumentos "se balancearon" en la superficie. Esto los alertó sobre el problema de los contaminantes superficiales y, por lo tanto, evitaron esas áreas.

Variaciones de lectura: hubo menos variación de medición en los paneles pulidos con chorro de arena en comparación con los paneles pulidos con perlas de vidrio. De 250 mediciones tomadas con un instrumento en un panel de 4 "x 6" x1 / 8 "pulido con Garnet, los resultados variaron de 0.2 a 1.9 milésimas de pulgada. Cuando solo se promediaron las lecturas más altas, el resultado de 1.2 milésimas de pulgada estuvo cerca de los resultados de la cinta y el lápiz óptico.

Ocasionalmente se registraron lecturas bajas cercanas a cero. Probablemente fueron causados cuando un gran pico empujó la punta de la sonda hacia arriba cerca del plano del pie del instrumento. Promediar solo los valores máximos evita que estas lecturas bajas influyan en el resultado final.

La lectura más alta en el ejemplo anterior de 1,9 milésimas de pulgada también es de interés. Parecería indicar un valle único y profundo en el que descendió la punta de la sonda, un gran pico en el perfil que elevó el pie del micrómetro de profundidad, o la ondulación de la superficie. De cualquier manera, fue solo uno de los muchos resultados que se promediaron para obtener una medición de perfil significativa.

Número de mediciones para análisis: cuando solo se tomaron 3 lecturas en cada ubicación de los paneles, los resultados no se correlacionaron estrechamente con los resultados de la cinta, lo que sugiere un número insuficiente de lecturas. Cuando se utilizaron 5 lecturas por ubicación, los resultados finales estuvieron más cerca de los resultados de la cinta. El aumento del número de lecturas a 10 por ubicación (según ASTM) eliminó la aparente aleatoriedad de los resultados y proporcionó la mejor correlación con los métodos de cinta y lápiz óptico. Más mediciones hicieron poco por mejorar los resultados.

Reducir el número de ubicaciones de 5 a 3 hizo poca diferencia en los resultados generales. Esto sugiere que un mínimo de 10 lecturas en cada una de las 3 ubicaciones caracteriza suficientemente una superficie de perfil granallado.

Diferencia en los resultados entre los micrómetros de profundidad: Los micrómetros de profundidad utilizados en este estudio tenían puntas de sonda que se mecanizaron a 30 ° y 60 ° incluidos ángulos. Sus presiones de resorte estaban entre 70 y 125 g de fuerza. Los instrumentos con sondas de 30 ° a menudo producen resultados más bajos que los instrumentos con sondas de 60 °. Los instrumentos con fuerzas de sonda débiles generalmente produjeron resultados más bajos que los instrumentos con fuerzas de sonda fuertes. Esto sugiere que el ángulo de la punta de la sonda y la fuerza de la punta de la sonda afectan los resultados de la medición (Fig.10).

Se examinaron fotografías de alta resolución de las puntas de las sondas. Todas las puntas midieron correctamente 30 o 60 ° como se anuncia, pero sus radios de punta variaron considerablemente. Algunos estaban debidamente redondeados. Otros mostraron extremos aplastados o cincelados (Figura 11).

Fig.10 Resultados de todos los micrómetros de profundidad

Fig.11 Fotos de baja y alta resolución de varias puntas de micrómetro de profundidad

Métodos de análisis: Cuando se promedian 50 lecturas de cada micrómetro de profundidad de acuerdo con ASTM D4417, las medidas de altura del perfil resultantes eran casi siempre más bajas que las de la cinta y el lápiz óptico. Cuando solo se promediaron los valores máximos de cada ubicación, los resultados se correlacionaron mejor con la cinta y el lápiz óptico

(Figura 12).

Fig.12 Una comparación de los métodos de medición Los resultados de todos los instrumentos de un tipo se combinan

Conclusiones

Los resultados de este estudio confirman una estrecha relación entre las medidas de la cinta y el lápiz óptico, como se mostró por primera vez en las pruebas por turnos de la ASTM del año pasado. Los resultados también revelaron información interesante sobre el tercer tipo de dispositivo de medición, micrómetros de profundidad de perfil de superficie, que lograron resultados comparables a la cinta y la aguja cuando se utilizó el método de análisis de “promedio de los picos máximos” (Figura 12).

La superficie del acero granallado en cualquier punto es una variación aleatoria, por lo que se deben tomar varias lecturas. El objetivo de la evaluación es hacer determinaciones máximas de pico a valle. Las medidas individuales de la superficie de una superficie de metal limpiada con chorro abrasivo varían significativamente de un área a otra sobre una superficie determinada. La forma en que se combinan estas mediciones depende del parámetro requerido para el trabajo, que podría ser la altura promedio de pico a valle, su máximo o incluso algo más. Al emplear el método de análisis del "promedio de los picos máximos", un micrómetro de profundidad proporciona mediciones confiables del perfil de la superficie que se correlacionan estrechamente con los resultados del probador de rugosidad de la cinta de réplica y el palpador.

Citas

Organización Internacional de Normalización (ISO), 1 rue de Varembé, Case postale 56, CH-1211, Ginebra 20, Suiza

Preparación de sustratos de acero antes de la aplicación de pinturas y productos relacionados - Características de rugosidad de la superficie de sustratos de acero limpiados con chorro de arena - Parte 1: Especificaciones y definiciones para comparadores de perfiles de superficie ISO para la evaluación de superficies limpiadas con chorro abrasivo

ASTM International, 100 Barr Harbor Drive, West Conshohocken, PA 19428

ASTM D7127 “Método de prueba estándar para medir la rugosidad de la superficie de superficies metálicas limpiadas con chorro abrasivo utilizando un instrumento electrónico portátil con aguja” (West Conshohocken, PA: ASTM)

ASTM D4417 “Métodos de prueba estándar para la medición de campo del perfil de la superficie del acero limpiado con chorro de arena” (West Conshohocken, PA: ASTM)

De la norma NACE RP0287-2002, “Medición de campo del perfil de superficie de superficies de acero limpiadas con chorro abrasivo utilizando una cinta de réplica”. (Houston, TX: NACE, 2002)

ISO 8503-2 Preparación de sustratos de acero antes de la aplicación de pinturas y productos relacionados.Características de rugosidad de la superficie de sustratos de acero limpiados con chorro de arena.Parte 2: Método para la clasificación del perfil de la superficie del acero limpiado con chorro abrasivo.Procedimiento comparativo.

Resultados de las pruebas por turnos del grupo de tareas T-6G-19 de la NACE. Informe del Comité Técnico de la NACE 6G176 (retirado). “Patrones de limpieza y anclaje disponibles mediante limpieza con chorro centrífugo de acero nuevo” (Houston, TX: NACE International). (Disponible en NACE International únicamente como documento histórico).

Este resumen estadístico se realizó utilizando unidades imperiales. Para convertir a unidades métricas, use 1 mil = 25,4 micrones (μm).

ISO 4287: 1997 Especificaciones de productos geométricos (GPS) —Textura de la superficie: Método de perfil — Términos, definiciones y parámetros de la superficie

KTA-Tator, Inc. (KTA), 115 Technology Drive, Pittsburgh, PA 15275 EE. UU.