Profilo della superficie - Confronto dei metodi di misurazione

Astratto:

Le prestazioni del rivestimento sono correlate all'altezza del profilo su una superficie in acciaio. Sono disponibili tre tipi di dispositivi per eseguire misurazioni di questo profilo di superficie: nastro replica, micrometri di profondità dotati di sonde appuntite e rugosimetri con stilo. Questo documento presenta i risultati di una recente analisi delle misurazioni effettuate dai tre tipi di dispositivi su acciaio sabbiato con un assortimento di materiali abrasivi e propone un nuovo metodo di misurazione micrometrica di profondità chiamato media dei picchi massimi.

introduzione

Le superfici in acciaio vengono spesso pulite da urti abrasivi prima dell'applicazione di rivestimenti protettivi. Questo processo rimuove i rivestimenti precedenti e irruvidisce la superficie per migliorare l'adesione del rivestimento. Il profilo della superficie risultante, o modello di ancoraggio, è costituito da un modello complesso di picchi e avvallamenti che devono essere accuratamente valutati per garantire la conformità alle specifiche del lavoro o del contratto.

I professionisti del rivestimento protettivo hanno a loro disposizione diversi metodi di prova per determinare la quantità di profilo superficiale. Sono state disponibili poche informazioni per aiutarli a selezionare uno strumento o confrontare i risultati di metodi diversi.

Metodi di misurazione

Una superficie in acciaio dopo la sabbiatura è costituita da irregolarità casuali con picchi e avvallamenti non facilmente caratterizzabili. Gli strumenti in grado di misurare questo profilo con un alto grado di precisione, come i microscopi elettronici a scansione, sono adatti solo per uso di laboratorio. I metodi sul campo sono desiderabili. Gli intervalli di profili di superficie sono specificati frequentemente e il profilo di superficie consigliato è diverso per vari tipi di rivestimenti.

La determinazione del profilo della superficie dipende dalla sua definizione. ISO1 8503-12 la definisce come l'altezza dei picchi maggiori rispetto alle valli maggiori. ASTM3 D71274 lo descrive come le deviazioni verticali positive e negative misurate da una linea media, approssimativamente il centro del profilo da valutare. ASTM D4417-115 attualmente non definisce affatto il profilo, ma descrive 3 diversi metodi di misurazione (comparatori di profilo A, micrometri di profondità B e nastro di replica C).

Fig.1 Metodi di misurazione del profilo di superficie ASTM

L'industria non dispone di standard di profilo con valori riconducibili a un Istituto nazionale di metrologia. Se lo facessero, gli strumenti potrebbero essere verificati rispetto a tali standard, potrebbero essere pubblicate dichiarazioni di accuratezza e gli utenti avrebbero un mezzo per correlare i loro risultati. Gli standard potrebbero determinare la relazione tra i valori ottenuti dalla replica del nastro e quelli ottenuti dai micrometri di profondità e così via.

Non avendo standard fisici, l'industria ha scelto un metodo di arbitraggio. NACE6, ASTM e ISO descrivono l'altezza del profilo della superficie come distanza misurata dalla cima del picco più alto al fondo della valle più bassa nel campo visivo di un microscopio ottico. Un microscopio è focalizzato sul picco più alto all'interno del campo visivo. La distanza percorsa dall'obiettivo per mettere a fuoco la valle più bassa all'interno dello stesso campo visivo è una singola misura dell'altezza del profilo. La media aritmetica di 20 di tali misurazioni risulta nella massima altezza media picco-valle. In altre parole, la media dei picchi massimi.

Fig.2 Immagine generata al computer di una superficie in acciaio pulita con sabbiatura (a sinistra). Una superficie sabbiata (a destra).

Il metodo del microscopio non è pratico sul campo, quindi le principali organizzazioni supportano una serie di metodi alternativi che sono sia pratici che abitualmente utilizzati dagli ispettori.

ISO produce comparatori di profilo di superficie per acciaio sabbiato mediante graniglia o abrasivi7 basati sul metodo del microscopio a focalizzazione. Utilizzando mezzi visivi o tattili, l'utente confronta la superficie in acciaio con il profilo di ogni segmento del comparatore per applicare una classificazione appropriata di "fine", "medio" o "grossolano". L'allegato B della ISO 8503-5 mostra che esiste una buona correlazione tra questi comparatori e le misurazioni mediante nastro di replica e metodi con stilo. Non esiste un metodo ISO per i micrometri di profondità né i micrometri di profondità devono essere utilizzati per misurare su comparatori di profilo a causa della mancanza di planarità dei comparatori.

NACE RP0287 mostra anche 8 repliche di nastro e misurazioni del microscopio di focalizzazione che concordano entro i limiti di confidenza (due deviazioni standard) in 11 su 14 casi.

Nastro di replica

Il nastro di replica è semplice, relativamente economico e mostra una buona correlazione con i risultati del microscopio di focalizzazione. Non sorprende quindi che sia probabilmente diventato il metodo sul campo più popolare per misurare il profilo della superficie.

Il nastro replica è costituito da uno strato di schiuma comprimibile fissato a un substrato di poliestere incomprimibile di spessore altamente uniforme (2 mil +0,2 mils9). Quando viene premuta contro una superficie di acciaio irruvidita, la schiuma collassa e forma un'impressione della superficie. Posizionando il nastro compresso tra le incudini di uno spessimetro micrometrico e sottraendo il contributo del substrato incomprimibile, 2 mil, si ottiene una misura del profilo della superficie.

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Fig.3 Nastro di replica

Secondo ISO 8503-5 "Questo metodo misura un 'profilo massimo medio picco-valle' perché le incudini dell'indicatore micrometrico appiattiscono leggermente il profilo della replica in modo che la lettura corrisponda a un valore massimo medio, sebbene questo non sia lo stesso come media matematica. " Quindi, di nuovo, abbiamo un metodo che misura essenzialmente la media dei picchi massimi.

Negli ultimi anni, altri due metodi di misurazione del profilo hanno guadagnato popolarità: il rugosimetro dello stilo (Stylus - ASTM D7127) e il micrometro di profondità (ASTM D4417 Metodo B). Le versioni elettroniche di questi strumenti hanno il vantaggio di una ridotta influenza dell'operatore e di una raccolta e analisi digitale dei dati di misurazione.

Strumenti per rugosità stilo

Un dispositivo portatile per la misurazione della rugosità della superficie dello stilo funziona disegnando uno stilo a velocità costante sulla superficie. Lo strumento registra le distanze su e giù percorse dallo stilo mentre attraversa la superficie. Misura Rt in conformità con ISO 428710 in cui Rt è la distanza verticale tra il picco più alto e la valle più bassa entro una data lunghezza di valutazione di 0,5 pollici. Vengono effettuate cinque di queste tracce e viene calcolata la media dei valori Rt per ottenere nuovamente la media dei picchi massimi.

Fig.4 Strumenti di rugosità dello stilo (gli strumenti mostrati sono simili a quelli utilizzati in questo studio)

Micrometri di profondità del profilo di superficie

Uno strumento micrometrico di profondità ha una base piatta che poggia sulla superficie e una sonda a molla che scende nelle valli del profilo della superficie. La base piatta poggia sulle vette più alte e ogni misura è quindi la distanza tra le vette locali più alte e la particolare valle in cui si è proiettata la punta.

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Fig.5 Micrometri di profondità (gli strumenti mostrati sono simili a quelli usati in questo studio)

Attualmente, ASTM D4417 richiede che l'utente calcoli la media di tutte le misurazioni del micrometro di profondità indipendentemente da quanto potrebbero essere basse alcune letture. Non sorprende che i risultati finali calcolati siano generalmente inferiori a quelli ottenuti con i metodi del nastro e dello stilo. Questo studio ha confermato tale ipotesi (Fig.12). Occasionalmente uno degli strumenti registrava valori pari o superiori ai risultati del nastro, ma quella era l'eccezione.

Il comitato ASTM D01.46 ha completato una valutazione round robin di 11 laboratori di precisione e bias per questo metodo facendo misurare ai partecipanti cinque pannelli di prova in acciaio sabbiato con nastro di replica e tre strumenti a stilo. Hanno selezionato strumenti a stilo con un intervallo verticale adeguato per essere utili per la misurazione delle superfici relativamente ruvide di interesse per l'industria dei rivestimenti e dei rivestimenti. Anche così, il profilo su alcuni dei pannelli ha superato i limiti di misurazione di alcuni degli strumenti selezionati.

I risultati preliminari hanno confermato una stretta relazione tra il nastro di replica e i metodi di rugosità dello stilo proprio come ha concluso l'ISO. Quando i risultati verranno pubblicati il prossimo anno, i professionisti del settore avranno accesso a dati di correlazione affidabili.

Ciò lascia solo il metodo del micrometro di profondità senza uno studio comparativo. Per fornire la correlazione tra tutti e tre i tipi di dispositivi, questo documento propone che le misurazioni micrometriche di profondità vengano analizzate utilizzando un metodo che produce risultati simili ai risultati di nastro e stilo ed è coerente con i loro obiettivi di misurazione, un metodo chiamato "media dei picchi massimi".

Per ottenere questo valore, il profilo viene misurato in un numero di punti sufficiente a caratterizzare la superficie, tipicamente cinque. In ogni posizione vengono effettuate dieci letture e viene registrata la lettura più alta. La media (media) per tutte le località è riportata come profilo della superficie.

L'impulso per questo studio è venuto dai test preliminari dello scorso anno sui pannelli ASTM con un singolo strumento micrometrico di profondità. Come mostrato nella figura 6, quando è stata utilizzata la media del metodo di analisi dei picchi massimi, i micrometri di profondità risultano allineati strettamente con i risultati del nastro e dello stilo.

Fig.6 Risultati preliminari su 5 pannelli ASTM

Riepilogo del test

Per confermare questi risultati, sono stati ottenuti venti pannelli sabbiati con tipi di media comuni da KTA Labs11 e sono stati acquistati cinque micrometri di profondità comuni. Cinque persone hanno effettuato 50 misurazioni su ogni pannello con ogni strumento in un ambiente di ufficio controllato per un totale di 5.000 letture.

Sono state effettuate almeno 3 misurazioni del nastro di replica su ciascun pannello e ne è stata calcolata la media. Quando i risultati sono caduti nelle regioni esterne dell'intervallo del nastro, sono state ottenute misurazioni aggiuntive con il livello successivo di nastro e calcolate la media secondo le istruzioni del produttore. Le misurazioni della rugosità dello stilo sono state ottenute da tre strumenti di campo comuni per il confronto. Infine, le letture dei metalli di base (BMR) da ciascun pannello sono state ottenute dai misuratori di spessore del rivestimento magnetico di Tipo 1 e Tipo 2.

Fig.7 Posizioni di misurazione del pannello per ciascun metodo

Strumenti DFT

Le sonde DFT misurano la distanza dalla punta della sonda al piano magnetico nell'acciaio. Sull'acciaio liscio il piano magnetico coincide con la superficie dell'acciaio. Sull'acciaio grezzo il piano magnetico si trova da qualche parte tra il picco più alto e la valle più bassa nel profilo, una posizione che può differire in base al tipo di strumento. Pertanto, la rugosità generalmente fa sì che gli strumenti DFT leggano un valore alto o positivo.

SSPC-PA 2 e altri standard richiedono l'applicazione di un fattore di correzione per compensare questo effetto di rugosità. Di solito, uno spessore di plastica viene posizionato sul profilo nudo e misurato con il misuratore DFT. Il misuratore viene regolato in modo che il risultato corrisponda allo spessore dello spessore. Lo spessore simula l'accumulo di vernice sui picchi e la regolazione garantisce che le misurazioni dello spessore della vernice siano prese dal livello medio dei picchi del profilo, piuttosto che dal piano magnetico.

Per quantificare l'effetto del profilo sui misuratori DFT, sono state effettuate misurazioni su tutti i pannelli con strumenti di tipo 1 (pull-off meccanico) e di tipo 2 (elettronico) dopo essere stati prima controllati a zero su acciaio piatto e liscio. Per ogni pannello è stato registrato il risultato medio di cinque misurazioni.

Lo strumento di tipo 1 è stato meno influenzato dal profilo e ha misurato un massimo di 0,3 mil sulla superficie più ruvida. Lo strumento di tipo 2 ha misurato tra un minimo di 0 sulla superficie sabbiata con perle di vetro e un massimo di 1,2 mil sulla superficie sabbiata S390. Nel complesso, lo strumento DFT ha fornito risultati di spessore compresi tra 1 e 26% delle altezze del profilo della superficie misurate dal nastro di replica, con una media di 13% su tutti i pannelli.

Fig.8 Risultati del misuratore DFT rispetto ai risultati del nastro di replica

Osservazioni generali: misurazione del profilo della superficie

Una certa rugosità superficiale supera le capacità di misurazione dei metodi con nastro e stilo. La buona pratica suggerisce che i gradi commerciali di nastro consentono la misurazione dei profili medi da picco a valle compresi tra 0,5 e 5,0 mil. Tutti i micrometri di profondità utilizzati nello studio avevano gamme estese adatte per misurare le superfici in acciaio sabbiato e non "max" fuori su nessuno dei pannelli.

Diversi pannelli avevano aree in cui tutti i tipi di strumenti producevano valori di alto profilo. Queste variazioni potrebbero essere dovute alla natura incoerente della sabbiatura manuale. Si può presumere che superfici più grandi presentino irregolarità simili.

Non è stato possibile eseguire il test con ogni dispositivo nella stessa identica posizione su ogni pannello (Fig.7). Il nastro di replica ha esaminato un'area relativamente ampia, richiedendo quindi meno misurazioni per caratterizzare adeguatamente la superficie. I metodi con stilo e micrometro di profondità hanno sonde a punta fine che campionano un'area di superficie molto più piccola e quindi richiedono più misurazioni per caratterizzare adeguatamente una superficie. Le guide ISO, ASTM, NACE e SSPC ne tengono conto.

Tutti i metodi richiedevano la configurazione iniziale e la verifica dell'accuratezza prima dell'inizio del test.

Il metodo del nastro di replica richiedeva che l'accuratezza micrometrica fosse controllata rispetto a uno spessore noto come uno spessore di plastica e il suo quadrante arretrato di 2 mil per tenere conto dello strato di plastica non comprimibile. Durante il test è stato necessario apportare piccole modifiche per compensare la deriva micrometrica.

I rugosimetri con stilo richiedevano la massima configurazione. È stata immessa la lunghezza di valutazione corretta, sono stati stabiliti parametri di rapporto come Rpc (conteggio dei picchi) e Rt (altezza massima da picco a valle in una lunghezza di valutazione) e lo strumento doveva essere posizionato con cura sulla superficie in acciaio sabbiato.

I micrometri di profondità sono stati controllati a zero su una lastra di vetro e su uno spessore di spessore noto prima e dopo ogni serie di 50 misurazioni. Nessuno strumento si è spostato dallo zero durante il test.

I cerchi sono stati osservati su alcuni pannelli dopo il test con nastro di replica. Si ritiene che fossero il risultato di particelle microscopiche che venivano impresse nella schiuma e trasportate via quando la schiuma veniva staccata. Sono stati osservati graffi su alcuni pannelli dopo il test con gli strumenti a stilo. Si ritiene che la superficie in acciaio sia stata leggermente modificata poiché lo stilo con punta di diamante è stato trascinato sui picchi (Fig.9).

Fig.9 Una foto ingrandita 400x di acciaio sabbiato con un graffio

Diventa chiaro durante i test che i risultati della misurazione del profilo della superficie individuale sono meno ripetibili e hanno una variazione maggiore di quanto gli utenti si aspettano da altre forme di misurazione del settore come lo spessore del film secco (DFT), la temperatura o il test di brillantezza. Sebbene ci si possa aspettare che due misurazioni DFT siano molto vicine, due misurazioni del profilo di superficie possono differire notevolmente. Questa è la natura di una superficie sabbiata.

Ad esempio, su un pannello sabbiato con una miscela di sabbie staurolite grossolane e fini, le misurazioni del nastro di replica erano comprese tra 1,8 e 2,9 mil, strumenti a stilo tra 1,8 e 2,8 mil e micrometri di profondità tra 0 e 5,6 mil. Tuttavia, tutti e tre i metodi hanno fornito risultati finali di "media dei picchi massimi" di circa 2,5 mil.

Altrettanto spesso, tuttavia, i tre metodi hanno prodotto risultati non così vicini. I risultati del nastro e dello stilo a volte variavano fino a 30%. Su 2 pannelli sabbiati con pallini S280 e ossido di alluminio mesh # 100, il nastro di replica ha letto 2,7 mil su entrambi mentre il metodo dello stilo ha una media inferiore di 2,2 mil su entrambi. Al contrario, sulla sabbia silicea BX-40, il nastro di replica leggeva 1,5 mil mentre il metodo dello stilo aveva una media superiore di 1,9 mil. I valori medi ottenuti da tre strumenti a stilo erano superiori ai valori del nastro di replica su tutti e 4 i pannelli sabbiati e inferiori su tutti i pannelli ossidati e granigliati. Vedere la figura 12 per un riepilogo dei risultati del nastro di replica e dello stilo.

Osservazioni - Misurazione micrometrica della profondità

I seguenti punti sono stati osservati durante l'esecuzione di misurazioni del profilo superficiale con i micrometri di profondità:

Contaminante superficiale sciolto: diversi pannelli hanno generato misurazioni anomale elevate che non sono state utilizzate nell'analisi finale. I partecipanti hanno riferito che gli strumenti "oscillavano" in superficie. Questo li ha avvisati del problema dei contaminanti superficiali e quindi hanno evitato quelle aree.

Variazioni di lettura: c'era una minore variazione di misurazione sui pannelli sabbiati rispetto ai pannelli sabbiati con perle di vetro. Di 250 misurazioni effettuate con uno strumento su un pannello 4 "x6" x1 / 8 "sabbiato con Garnet, i risultati variavano da 0,2 a 1,9 mil. Quando solo le letture più alte sono state mediate, il risultato di 1,2 mil era vicino ai risultati del nastro e dello stilo.

Occasionalmente sono state registrate letture basse vicine allo zero. Probabilmente sono stati causati quando un grande picco ha spinto la punta della sonda vicino al piano del piede dello strumento. La media dei soli valori massimi impedisce che queste letture basse influenzino il risultato finale.

Anche la lettura più alta nell'esempio sopra di 1.9 mils è interessante. Sembrerebbe indicare un'unica, profonda valle in cui discende la punta della sonda, un grande picco nel profilo che eleva il piede del micrometro di profondità, o ondulazione superficiale. In ogni caso, è stato solo uno dei tanti risultati mediati per ottenere una misurazione del profilo significativa.

Numero di misurazioni per l'analisi: quando sono state effettuate solo 3 letture in ciascuna posizione sui pannelli, i risultati non erano strettamente correlati ai risultati del nastro, suggerendo un numero insufficiente di letture. Quando sono state utilizzate 5 letture per posizione, i risultati finali erano più vicini ai risultati del nastro. L'aumento del numero di letture a 10 per posizione (per ASTM) ha rimosso l'apparente casualità nei risultati e ha fornito la migliore correlazione con i metodi del nastro e dello stilo. Più misurazioni hanno fatto poco per migliorare i risultati.

Ridurre il numero di posizioni da 5 a 3 ha fatto poca differenza per i risultati complessivi. Ciò suggerisce che un minimo di 10 letture in ciascuna delle 3 posizioni caratterizza sufficientemente una superficie del profilo sabbiato.

Differenza nei risultati tra i micrometri di profondità: i micrometri di profondità utilizzati in questo studio avevano punte della sonda lavorate a macchina a 30 ° e angoli inclusi di 60 °. Le pressioni della molla erano comprese tra 70 e 125 g di forza. Gli strumenti con sonde a 30 ° spesso producevano risultati inferiori rispetto agli strumenti con sonde a 60 °. Gli strumenti con forze della sonda deboli generalmente hanno prodotto risultati inferiori rispetto agli strumenti con forze della sonda forti. Ciò suggerisce che l'angolo della punta della sonda e la forza della punta della sonda influenzano i risultati della misurazione (Fig.10).

Sono state esaminate foto ad alta risoluzione delle punte della sonda. Tutte le punte misuravano correttamente 30 o 60 ° come pubblicizzato ma il loro raggio di punta variava considerevolmente. Alcuni erano adeguatamente arrotondati. Altri mostravano estremità appiattite o cesellate (Fig.11).

Fig. 10 Risultati da tutti i micrometri di profondità

Fig.11 Foto ad alta e bassa risoluzione di varie punte micrometriche di profondità

Metodi di analisi: Quando si calcola la media di 50 letture da ciascun micrometro di profondità secondo ASTM D4417, le misurazioni dell'altezza del profilo risultanti erano quasi sempre inferiori sia al nastro che allo stilo. Quando sono stati calcolati solo i valori massimi di ciascuna posizione, i risultati erano meglio correlati sia al nastro che allo stilo

(Fig.12).

Fig.12 Un confronto dei metodi di misurazione I risultati di tutti gli strumenti in un tipo sono combinati

Conclusioni

I risultati di questo studio confermano una stretta relazione tra le misurazioni del nastro e dello stilo, come mostrato per la prima volta dai test ASTM round robin dell'anno scorso. I risultati hanno anche rivelato interessanti informazioni sul terzo tipo di dispositivo di misura, i micrometri di profondità del profilo di superficie, che hanno ottenuto risultati paragonabili a nastro e stilo quando è stato utilizzato l'approccio di analisi “media dei picchi massimi” (Fig.12).

La superficie dell'acciaio sabbiato in qualsiasi punto è una variazione casuale, quindi è necessario effettuare un numero di letture. L'obiettivo della valutazione è quello di effettuare determinazioni massime da picco a valle. Le misurazioni individuali della superficie di una superficie metallica pulita mediante sabbiatura variano notevolmente da area a area su una data superficie. Il modo in cui queste misurazioni sono combinate dipende dal parametro richiesto per il lavoro che potrebbe essere l'altezza media picco-valle, il suo massimo o anche qualcos'altro. Utilizzando l'approccio di analisi della "media dei picchi massimi", un micrometro di profondità fornisce misurazioni affidabili del profilo della superficie che sono strettamente correlate ai risultati della replica del nastro e del rugosimetro dello stilo.

Citazioni

International Organization for Standardization (ISO), 1 rue de Varembé, Case postale 56, CH-1211, Ginevra 20, Svizzera

Preparazione di substrati in acciaio prima dell'applicazione di vernici e prodotti correlati - Caratteristiche di rugosità superficiale di substrati in acciaio puliti mediante sabbiatura - Parte 1: Specifiche e definizioni per i comparatori del profilo di superficie ISO per la valutazione di superfici lavate con sabbiatura

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

ASTM D7127 "Metodo di prova standard per la misurazione della rugosità superficiale di superfici metalliche pulite mediante sabbiatura utilizzando uno strumento stilo elettronico portatile" (West Conshohocken, PA: ASTM)

ASTM D4417 "Metodi di prova standard per la misurazione sul campo del profilo superficiale dell'acciaio pulito con sabbiatura" (West Conshohocken, PA: ASTM)

Dallo standard NACE RP0287-2002, "Misurazione in campo del profilo superficiale di superfici in acciaio levigate mediante sabbiatura utilizzando un nastro replica". (Houston, TX: NACE, 2002)

ISO 8503-2 Preparazione di substrati di acciaio prima dell'applicazione di vernici e prodotti correlati - Caratteristiche di rugosità superficiale di substrati di acciaio puliti con sabbiatura - Parte 2: Metodo per la classificazione del profilo superficiale di acciaio sabbiato con abrasivo - Procedura comparativa

Risultati dei test round robin del task group T-6G-19 della NACE. Rapporto del comitato tecnico della NACE 6G176 (ritirato). "Pulizia e modelli di ancoraggio disponibili attraverso la pulizia centrifuga del nuovo acciaio" (Houston, TX: NACE International). (Disponibile da NACE International solo come documento storico.)

Questo riepilogo statistico è stato condotto utilizzando unità imperiali. Per convertire in unità metriche, utilizzare 1 mil = 25,4 micron (μm).

ISO 4287: 1997 Specifiche geometriche del prodotto (GPS) - Struttura della superficie: metodo del profilo - Termini, definizioni e parametri di superficie

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