Profil de surface - Comparaison des méthodes de mesure

Résumé:

La  performance du revêtement est liée à la hauteur du profil sur une surface en acier. Trois types d'appareils sont disponibles pour prendre des mesures de ce profil de surface: une réplique de bande, des micromètres de profondeur équipés de sondes pointues et des testeurs de rugosité à stylet. Cet article présente les résultats d'une analyse récente des mesures prises par les trois types d'appareils sur de l'acier sablé avec un assortiment d'agents de sablage et propose une nouvelle méthode de mesure micrométrique de profondeur appelée moyenne des pics maximum. 

Introduction

Les surfaces en acier sont fréquemment nettoyées par impact abrasif avant l'application de revêtements protecteurs. Ce processus supprime les revêtements précédents et rend la surface rugueuse pour améliorer l'adhérence du revêtement. Le profil de surface résultant, ou motif d'ancrage, est composé d'un motif complexe de pics et de creux qui doivent être évalués avec précision pour assurer la conformité aux spécifications du travail ou du contrat.

Les professionnels des revêtements de protection disposent de plusieurs méthodes de test pour déterminer la quantité de profil de surface. Peu d'informations sont disponibles pour les aider à sélectionner un instrument ou à comparer les résultats de différentes méthodes.

Méthodes de mesure

Une surface en acier après décapage est constituée d'irrégularités aléatoires avec des pics et des creux qui ne sont pas facilement caractérisés. Les instruments capables de mesurer ce profil avec un haut degré de précision, tels que les microscopes électroniques à balayage, ne conviennent que pour une utilisation en laboratoire. Les méthodes de terrain sont souhaitables. Les gammes de profils de surface sont fréquemment spécifiées et le profil de surface recommandé est différent pour divers types de revêtements.

La détermination du profil de surface dépend de sa définition. L'ISO 1  8503-1 2 la  définit comme la hauteur des pics majeurs par rapport aux vallées principales. ASTM 3  D7127 4 le  décrit comme les écarts verticaux positifs et négatifs mesurés à partir d'une ligne moyenne, approximativement au centre du profil en cours d'évaluation. ASTM D4417-11 5  ne définit actuellement pas du tout le profil, mais décrit 3 méthodes de mesure différentes (comparateurs de profil A, micromètres de profondeur B et ruban réplique C).

Fig.1 Méthodes de mesure du profil de surface ASTM

L'industrie n'a pas de normes de profil avec des valeurs traçables à un institut national de métrologie. Si tel était le cas, les instruments pourraient être vérifiés par rapport à ces normes, des déclarations d'exactitude pourraient être publiées et les utilisateurs auraient un moyen de corréler leurs résultats. Les normes pourraient déterminer la relation entre les valeurs obtenues à partir de la réplique de bande et celles obtenues à partir de micromètres de profondeur, et ainsi de suite.

N'ayant pas de normes physiques, l'industrie a choisi une méthode d'arbitrage. La NACE 6 , l'ASTM et l'ISO décrivent la hauteur du profil de surface comme la distance mesurée entre le sommet du pic le plus élevé et le fond de la vallée la plus basse dans le champ de vision d'un microscope optique. Un microscope est focalisé sur le pic le plus élevé dans le champ de vision. La distance parcourue par la lentille pour se concentrer sur la vallée la plus basse dans le même champ de vision est une mesure unique de la hauteur du profil. La moyenne arithmétique de 20 de ces mesures donne la hauteur maximale moyenne du pic à la vallée. En d'autres termes, la moyenne des pics maximaux.

Fig.2 Image générée par ordinateur d'une surface en acier nettoyée par projection (à gauche). Une surface sablée (à droite).

La méthode du microscope n'est pas pratique sur le terrain, de sorte que les grandes organisations soutiennent un certain nombre de méthodes alternatives qui sont à la fois pratiques et couramment utilisées par les inspecteurs.

L'ISO fabrique des comparateurs de profils de surface pour l'acier nettoyé par projection d'abrasifs ou abrasifs 7  basés sur la méthode du microscope à focalisation. A l'aide de moyens visuels ou tactiles, l'utilisateur compare la surface de l'acier au profil de chaque segment du comparateur pour appliquer une gradation appropriée de «fin», «moyen» ou «grossier». L'annexe B de l'ISO 8503-5 montre qu'il existe une bonne corrélation entre ces comparateurs et la mesure par les méthodes de bande réplique et de stylet. Il n'y a pas de méthode ISO pour les micromètres de profondeur et les micromètres de profondeur ne devraient pas être utilisés pour mesurer sur des comparateurs de profil en raison du manque de planéité des comparateurs.

La NACE RP0287 montre également 8  répliques de bande et les mesures de microscope de focalisation concordent dans leurs limites de confiance (deux écarts types) dans 11 cas sur 14. 

Ruban Press-O-Film

La  technique de réplique à ruban Press O Film (ruban Testexà est simple, relativement peu coûteuse et présente une bonne corrélation avec les résultats de focalisation du microscope. Il n'est donc pas surprenant qu'elle soit sans doute devenue la méthode de terrain la plus populaire pour mesurer le profil de surface.

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Le ruban réplique consiste en une couche de mousse compressible fixée sur un substrat en polyester incompressible d'épaisseur très uniforme (2 mils +0,2 mils 9 ). Lorsqu'elle est pressée contre une surface en acier rugueuse, la mousse s'effondre et forme une impression de la surface. Placer le ruban compressé entre les enclumes d'une jauge d'épaisseur micrométrique et soustraire la contribution du substrat incompressible, 2 mils, donne une mesure du profil de surface.

Rugosimètre portable

Un dispositif portable de mesure de la rugosité de surface fonctionne en tirant un stylet à vitesse constante sur la surface. L'instrument enregistre les distances ascendantes et descendantes parcourues par le stylet lorsqu'il traverse la surface. Il mesure Rt conformément à la norme ISO 4287 10  où Rt est la distance verticale entre le pic le plus élevé et la vallée la plus basse sur une longueur d'évaluation donnée de 0,5 pouce. Cinq de ces traces sont faites et les valeurs Rt sont moyennées pour obtenir à nouveau la moyenne des pics maximaux.

Fig.4 Instruments de rugosité du stylet (les instruments présentés sont similaires à ceux utilisés dans cette étude)

Micromètre de mesure de profondeur de profil

Un instrument micromètre de profondeur a une base plate qui repose sur la surface et une sonde à ressort qui tombe dans les vallées du profil de surface. La base plate repose sur les pics les plus élevés et chaque mesure est donc la distance entre les pics locaux les plus élevés et la vallée particulière dans laquelle la pointe s'est projetée.

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Fig.5 Micromètres de profondeur (les instruments présentés sont similaires à ceux utilisés dans cette étude)

Actuellement, ASTM D4417 oblige l'utilisateur à faire la moyenne de toutes les mesures micrométriques de profondeur, quelle que soit la valeur de certaines lectures. Il n'est pas surprenant que les résultats finaux calculés soient généralement inférieurs à ceux obtenus par les méthodes de bande et de stylet. Cette étude a confirmé cette hypothèse (figure 12). Parfois, l'un des instruments enregistrait des valeurs égales ou supérieures aux résultats de la bande, mais c'était l'exception.

Le comité ASTM D01.46 a réalisé une évaluation à la ronde de 11 laboratoires de la précision et du biais pour cette méthode en demandant aux participants de mesurer cinq panneaux d'essai en acier sablé avec une réplique de ruban et trois instruments à stylet. Ils ont sélectionné des instruments à stylet qui avaient une plage verticale adéquate pour être utiles pour la mesure des surfaces relativement rugueuses d'intérêt pour l'industrie des revêtements et des revêtements. Malgré cela, le profil de certains panneaux a dépassé les limites de mesure de certains des instruments sélectionnés.

Les résultats préliminaires ont confirmé une relation étroite entre la bande réplique et les méthodes de rugosité du stylet, juste au moment où l'ISO a conclu. Lorsque les résultats seront publiés l'année prochaine, les professionnels de l'industrie auront accès à des données de corrélation fiables.

Cela ne laisse que la méthode du micromètre de profondeur sans étude comparative. Pour fournir une corrélation entre les trois types d'appareils, cet article propose que les mesures micrométriques de profondeur soient analysées en utilisant une méthode qui produit des résultats similaires aux résultats de la bande et du stylet et qui est cohérente avec leurs objectifs de mesure, une méthode appelée «moyenne des pics maximaux».

Pour obtenir cette valeur, le profil est mesuré à un nombre suffisant d'emplacements pour caractériser la surface, typiquement cinq. À chaque emplacement, dix lectures sont prises et la lecture la plus élevée est enregistrée. La moyenne (moyenne) pour tous les emplacements est indiquée comme le profil de la surface.

L'impulsion de cette étude est venue des tests préliminaires de l'année dernière sur des panneaux ASTM avec un instrument micromètre de profondeur unique. Comme le montre la figure 6, lorsque la méthode d'analyse de la moyenne des pics maximums a été utilisée, les résultats des micromètres de profondeur s'alignaient étroitement avec les résultats du ruban et du stylet.

Fig.6 Résultats préliminaires sur 5 panneaux ASTM

Résumé des tests

Pour confirmer ces résultats, vingt panneaux sablés avec des types de milieux courants ont été obtenus auprès de KTA Labs 11  et cinq micromètres de profondeur communs ont été acquis. Cinq personnes ont pris 50 mesures sur chaque panneau avec chaque instrument dans un environnement de bureau contrôlé pour un total de 5 000 lectures.

Un minimum de 3 mesures de bande réplique ont été prises sur chaque panneau et moyennées. Lorsque les résultats sont tombés dans les régions extérieures de la plage de la bande, des mesures supplémentaires ont été obtenues avec le niveau suivant de bande et moyennées selon les instructions du fabricant. Les mesures de rugosité du stylet ont été obtenues à partir de trois instruments de terrain courants à des fins de comparaison. Enfin, des lectures de métaux de base (BMR) de chaque panneau ont été obtenues à partir de jauges d'épaisseur de revêtement magnétique de type 1 et de type 2.

Fig.7 Emplacements de mesure du panneau pour chaque méthode

Mesureurs DFT

Les sondes DFT mesurent la distance entre la pointe de leur sonde et le plan magnétique dans l'acier. Sur l'acier lisse, le plan magnétique coïncide avec la surface de l'acier. Sur l'acier brut, le plan magnétique se situe quelque part entre le pic le plus élevé et la vallée la plus basse du profil, un emplacement qui peut différer selon le type d'instrument. Par conséquent, la rugosité amène généralement les instruments DFT à lire une valeur élevée ou positive.

La norme SSPC-PA 2 et d'autres normes exigent qu'un facteur de correction soit appliqué afin de compenser cet effet de rugosité. Généralement, une cale en plastique est placée sur le profil nu et mesurée avec la jauge DFT. La jauge est ajustée pour que le résultat corresponde à l'épaisseur de la cale. La cale simule l'accumulation de peinture sur les pics et l'ajustement garantit que les mesures d'épaisseur de peinture sont prises à partir du niveau moyen des pics du profil, plutôt qu'à partir du plan magnétique.

Pour quantifier l'effet du profil sur les jauges DFT, des mesures ont été prises sur tous les panneaux par des instruments de type 1 (tirage mécanique) et de type 2 (électronique) après avoir d'abord été vérifiées à zéro sur l'acier plat et lisse. Le résultat moyen de cinq mesures a été enregistré pour chaque panneau.

L'instrument de type 1 était le moins affecté par le profil et mesurait un maximum de 0,3 mils sur la surface la plus rugueuse. L'instrument de type 2 mesurait entre un minimum de 0 sur la surface grenaillée par billes de verre et un maximum de 1,2 mils sur la surface grenaillée S390. Dans l'ensemble, l'instrument DFT a donné des résultats d'épaisseur allant de 1 à 26% des hauteurs de profil de surface mesurées par réplique de ruban, avec une moyenne de 13% sur tous les panneaux.

Fig.8 Résultats de la jauge DFT par rapport aux résultats de la réplique de bande

Observations générales : mesure du profil de surface

Certaines rugosités de surface dépassent les capacités de mesure des méthodes de ruban et de stylet. Les bonnes pratiques suggèrent que les qualités commerciales de ruban permettent de mesurer des profils moyens de crête à vallée compris entre 0,5 et 5,0 mils. Tous les micromètres de profondeur utilisés dans l'étude avaient des plages étendues convenant à la mesure de surfaces en acier sablé et ne «maximalisaient» aucun des panneaux.

Plusieurs panneaux avaient des zones où tous les types d'instruments produisaient des valeurs de haut niveau. Ces écarts pourraient être dus à la nature incohérente du dynamitage manuel. On peut supposer que de plus grandes surfaces auraient des irrégularités similaires.

Il n'a pas été possible de tester avec chaque appareil exactement au même endroit sur chaque panneau (Fig.7). Le ruban réplique a examiné une zone relativement grande, nécessitant ainsi moins de mesures pour caractériser correctement la surface. Les méthodes de stylet et de micromètre de profondeur ont des sondes à pointe fine qui échantillonnent une surface beaucoup plus petite et nécessitent donc plus de mesures pour caractériser correctement une surface. Les guides ISO, ASTM, NACE et SSPC en tiennent compte.

Toutes les méthodes nécessitaient une configuration initiale et une vérification de la précision avant le début des tests.

La méthode du ruban réplique exigeait que la précision micrométrique soit vérifiée par rapport à une épaisseur connue telle qu'une cale en plastique et son cadran en retrait de 2 mils pour tenir compte de la couche de plastique non compressible. Des ajustements mineurs ont dû être effectués pendant le test pour compenser la dérive micrométrique.

Les testeurs de rugosité du stylet ont nécessité le plus de configuration. La longueur d'évaluation appropriée a été entrée, les paramètres de rapport tels que Rpc (nombre de pics) et Rt (hauteur maximale de pic à vallée dans une longueur d'évaluation) ont été établis, et l'instrument a dû être positionné avec soin sur la surface en acier sablé.

Les micromètres de profondeur ont été vérifiés à zéro sur une plaque de verre et sur une cale d'épaisseur connue avant et après chaque série de 50 mesures. Aucun instrument n'a dérivé de zéro tout au long du test.

Des cercles ont été observés sur certains panneaux après des tests avec une réplique de bande. On pense qu'ils étaient le résultat de particules microscopiques qui étaient imprimées dans la mousse et entraînées lorsque la mousse était décollée. Des rayures ont été observées sur certains panneaux après des tests avec les instruments à stylet. On pense que la surface de l'acier a été légèrement modifiée lorsque le stylet à pointe de diamant a été traîné sur les pics (figure 9).

Fig.9 Une photo agrandie 400x d'acier grenat avec une rayure

Il devient clair au cours des tests que les résultats de mesure de profil de surface individuels sont moins reproductibles et présentent des variations plus importantes que ce que les utilisateurs attendent d'autres formes de mesure de l'industrie telles que l'épaisseur du film sec (DFT), la température ou les tests de brillance. Alors que l'on peut s'attendre à ce que deux mesures DFT soient très proches, deux mesures de profil de surface peuvent différer considérablement. Telle est la nature d'une surface sablée.

Par exemple, sur un panneau sablé avec un mélange de sables de staurolite grossiers et fins, les mesures du ruban réplique variaient entre 1,8 et 2,9 mils, les stylets entre 1,8 et 2,8 mils et les micromètres de profondeur entre 0 et 5,6 mils. Pourtant, les trois méthodes ont donné des résultats finaux de «moyenne des pics maximaux» d'environ 2,5 mils.

Cependant, tout aussi souvent, les trois méthodes ont donné des résultats moins proches. Les résultats de la bande et du stylet variaient parfois jusqu'à 30%. Sur 2 panneaux sablés avec du tir S280 et de l'oxyde d'aluminium à mailles n ° 100, le ruban de réplique a lu 2,7 mils sur les deux tandis que la méthode du stylet en moyenne a une baisse de 2,2 mils sur les deux. À l'inverse, sur le sable de silice BX-40, la bande de réplique a lu 1,5 mils tandis que la méthode du stylet a une moyenne de 1,9 mils plus élevée. Les valeurs moyennes obtenues à partir de trois instruments à stylet étaient plus élevées que les valeurs de réplique de ruban sur les 4 panneaux sablés et inférieures sur tous les panneaux oxydés et grenaillés. Voir la figure 12 pour un résumé des résultats de la réplique de bande par rapport au stylet.

Observations- Mesure à l'aide d'une jauge de profondeur

Les points suivants ont été observés lors de la réalisation de mesures de profil de surface avec les micromètres de profondeur:

Contaminant de surface lâche:  plusieurs panels ont généré des mesures aberrantes élevées qui n'ont pas été utilisées dans l'analyse finale. Les participants ont rapporté que les instruments ont «basculé» à la surface. Cela les a alertés sur le problème des contaminants de surface et ils ont donc évité ces zones.

Variations de lecture:  Il y avait moins de variation de mesure sur les panneaux sablés par rapport aux panneaux sablés avec des billes de verre. Sur 250 mesures prises avec un instrument sur un panneau de 4 "x6" x1 / 8 "sablé au grenat, les résultats variaient de 0,2 à 1,9 mils. Lorsque seules les lectures les plus élevées étaient moyennées, le résultat de 1,2 mils était proche des résultats de la bande et du stylet.

Des lectures faibles proches de zéro étaient parfois enregistrées. Elles étaient probablement causées par un pic important poussant la pointe de la sonde vers le haut près du plan du pied de l'instrument. La moyenne uniquement des valeurs maximales empêche ces lectures basses d'influencer le résultat final.

La lecture la plus élevée dans l'exemple ci-dessus de 1,9 mils est également intéressante. Cela semble indiquer une seule vallée profonde dans laquelle la pointe de la sonde est descendue, un grand pic dans le profil qui a élevé le pied du micromètre de profondeur, ou l'ondulation de la surface. Quoi qu'il en soit, ce n'est qu'un résultat parmi tant d'autres qui ont été moyennés pour obtenir une mesure de profil significative.

Nombre de mesures pour l'analyse:  lorsque seulement 3 lectures ont été prises à chaque emplacement sur les panneaux, les résultats ne sont pas étroitement corrélés avec les résultats de la bande, ce qui suggère un nombre insuffisant de lectures. Lorsque 5 lectures par emplacement étaient utilisées, les résultats finaux étaient plus proches des résultats sur bande. L'augmentation du nombre de lectures à 10 par emplacement (par ASTM) a supprimé le caractère aléatoire apparent des résultats et a fourni la meilleure corrélation avec les méthodes de bande et de stylet. Un plus grand nombre de mesures n'a guère amélioré les résultats.

La réduction du nombre d'emplacements de 5 à 3 n'a guère changé les résultats globaux. Cela suggère qu'un minimum de 10 lectures dans chacun des 3 emplacements caractérise suffisamment une surface de profil dynamitée.

Différence de résultats entre les micromètres de profondeur:  Les micromètres de profondeur utilisés dans cette étude avaient des pointes de sonde usinées à 30 ° et 60 ° incluaient des angles. Leurs pressions de ressort étaient entre 70 et 125 g de force. Les instruments avec des sondes à 30 ° produisaient souvent des résultats inférieurs à ceux des instruments avec des sondes à 60 °. Les instruments avec des forces de sonde faibles ont généralement produit des résultats inférieurs à ceux des instruments avec des forces de sonde fortes. Cela suggère que l'angle de la pointe de la sonde et la force de la pointe de la sonde affectent les résultats de la mesure (Fig.10).

Des photos haute résolution des pointes de sonde ont été examinées. Toutes les pointes mesuraient correctement 30 ou 60 ° comme annoncé mais leurs rayons de pointe variaient considérablement. Certains étaient correctement arrondis. D'autres présentaient des extrémités aplaties ou ciselées (figure 11).

Fig.10 Résultats de tous les micromètres de profondeur

Fig.11 Photos en basse et haute résolution de diverses pointes de micromètre de profondeur

Méthodes d'analyse:  Lorsque 50 lectures de chaque micromètre de profondeur sont moyennées selon ASTM D4417, les mesures de hauteur de profil résultantes étaient presque toujours inférieures à celles du ruban et du stylet. Lorsque seules les valeurs maximales de chaque emplacement étaient moyennées, les résultats étaient mieux corrélés à la fois avec la bande et le stylet (figure 12).

Fig.12 Une comparaison des méthodes de mesure Les résultats de tous les instruments d'un type sont combinés

Conclusions

Les résultats de cette étude confirment une relation étroite entre les mesures du ruban et du stylet, comme l'a montré pour la première fois les essais à la ronde ASTM de l'année dernière. Les résultats ont également révélé des informations intéressantes sur le troisième type d'appareil de mesure, les micromètres de profondeur à profil de surface, qui ont obtenu des résultats comparables à ceux du ruban et du stylet lorsque l'approche d'analyse «moyenne des pics maximaux» a été utilisée (figure 12).

La surface de l'acier sablé à tout moment est une variation aléatoire, donc un certain nombre de lectures doivent être prises. L'objectif de l'évaluation est de faire des déterminations maximales de crête à vallée. Les mesures individuelles de la surface d'une surface métallique décapée par projection d'abrasif varient considérablement d'une zone à l'autre sur une surface donnée. La façon dont ces mesures sont combinées dépend du paramètre requis pour le travail qui pourrait être la hauteur moyenne de crête à vallée, son maximum, ou même autre chose. En utilisant l'approche d'analyse «moyenne des pics maximums», un micromètre de profondeur donne des mesures fiables de profil de surface qui sont étroitement corrélées aux résultats du testeur de rugosité du stylet et du ruban de réplique.

Citations

Organisation internationale de normalisation (ISO), 1 rue de Varembé, Case postale 56, CH-1211, Genève 20, Suisse

Préparation des substrats en acier avant l'application des peintures et des produits connexes - Caractéristiques de rugosité de surface des substrats en acier décapés par projection - Partie 1: Spécifications et définitions pour les comparateurs de profil de surface ISO pour l'évaluation des surfaces décapées par projection d'abrasif

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

ASTM D7127 «Méthode d'essai standard pour la mesure de la rugosité de surface des surfaces métalliques nettoyées par projection d'abrasif à l'aide d'un instrument à stylet portable électronique» (West Conshohocken, PA: ASTM)

ASTM D4417 «Méthodes d'essai standard pour la mesure sur le terrain du profil de surface de l'acier nettoyé par projection» (West Conshohocken, PA: ASTM)

Tiré de la norme NACE RP0287-2002, «Mesure sur le terrain du profil de surface des surfaces en acier nettoyées par projection d'abrasif à l'aide d'une réplique de ruban». (Houston, TX: NACE, 2002)

ISO 8503-2 Préparation des substrats en acier avant l'application des peintures et produits connexes - Caractéristiques de rugosité de surface des substrats en acier décapés par projection - Partie 2: Méthode de classement du profil de surface de l'acier décapé par projection d'abrasif - Procédure de comparaison

Résultats des tests du groupe de travail T-6G-19 de la NACE. Rapport 6G176 du Comité technique de la NACE (retiré). «Propreté et modèles d'ancrage disponibles grâce au nettoyage centrifuge de l'acier neuf» (Houston, TX: NACE International). (Disponible auprès de NACE International comme document historique uniquement.)

Ce résumé statistique a été réalisé en utilisant les unités impériales. Pour convertir en unités métriques, utilisez 1 mil = 25,4 microns (μm).

ISO 4287: 1997 Spécification géométrique des produits (GPS) - Texture de surface: méthode de profil - Termes, définitions et paramètres de surface

KTA-Tator, Inc. (KTA), 115 Technology Drive, Pittsburgh, PA 15275, États-Unis.

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