di David Beamish, DeFelsko Corporation
Aggiornato: 09/20/2021
Abstract: Le prestazioni del rivestimento sono legate all'altezza del profilo sulla superficie dell'acciaio. Per misurare questo profilo superficiale sono disponibili tre tipi di dispositivi: il nastro di replica, i micrometri di profondità dotati di sonde a punta e i rugosimetri a stilo. Questo articolo presenta i risultati di una recente analisi delle misure effettuate dai tre tipi di dispositivi su acciaio sabbiato con un assortimento di mezzi di granigliatura e propone un nuovo metodo di misurazione del micrometro di profondità chiamato media dei picchi massimi.
Le superfici in acciaio vengono spesso pulite mediante impatto abrasivo prima dell'applicazione di rivestimenti protettivi. Questo processo rimuove i rivestimenti precedenti e irruvidisce la superficie per migliorare l'adesione del rivestimento. Il profilo superficiale risultante, o modello di ancoraggio, è costituito da un complesso schema di picchi e valli che deve essere valutato con precisione per garantire la conformità alle specifiche del lavoro o del contratto.
I professionisti dei rivestimenti protettivi hanno a disposizione diversi metodi di prova per determinare la quantità di profilo superficiale. Sono disponibili poche informazioni per aiutarli a scegliere uno strumento o a confrontare i risultati di metodi diversi.
La superficie dell'acciaio dopo la sabbiatura presenta irregolarità casuali con picchi e valli che non sono facilmente caratterizzabili. Gli strumenti che possono misurare questo profilo con un alto grado di precisione, come i microscopi elettronici a scansione, sono adatti solo per l'uso in laboratorio. I metodi sul campo sono auspicabili. Gli intervalli dei profili superficiali sono spesso specificati e il profilo superficiale raccomandato è diverso per i vari tipi di rivestimenti.
La determinazione del profilo superficiale dipende dalla sua definizione. La norma ISO1 8503-12 lo definisce come l'altezza dei picchi principali rispetto alle valli principali. ASTM3 D71274 lo descrive come le deviazioni verticali positive e negative misurate da una linea media, approssimativamente il centro del profilo da valutare. La norma ASTM D4417-115 definisce il profilo superficiale come "l'altezza dei picchi principali rispetto alle valli principali". Descrive 3 diversi metodi di misurazione:
Il settore non dispone di standard di profilo con valori riconducibili a un Istituto Nazionale di Metrologia. Se così fosse, gli strumenti potrebbero essere verificati rispetto a tali standard, le dichiarazioni di accuratezza potrebbero essere pubblicate e gli utenti avrebbero un mezzo per correlare i loro risultati. Gli standard potrebbero determinare la relazione tra i valori ottenuti dal nastro di replica e quelli ottenuti dai micrometri di profondità, e così via.
Non disponendo di standard fisici, l'industria ha scelto un metodo di arbitraggio. NACE6, ASTM e ISO descrivono l'altezza del profilo superficiale come la distanza misurata dall'apice del picco più alto al fondo della valle più bassa nel campo visivo di un microscopio ottico. Un microscopio viene messo a fuoco sul picco più alto 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 misurazioni di questo tipo dà come risultato l'altezza massima media da picco a valle. In altre parole, la media dei picchi massimi.
Il metodo del microscopio è poco pratico sul campo, pertanto le principali organizzazioni sostengono una serie di metodi alternativi che sono pratici e utilizzati abitualmente dagli ispettori.
ISO produce comparatori di profili superficiali per l'acciaio pulito con graniglia o abrasivi7 che si basano sul metodo del microscopio focalizzatore. Utilizzando mezzi visivi o tattili, l'utente confronta la superficie dell'acciaio con il profilo di ciascun segmento del comparatore per applicare una classificazione appropriata di "fine", "medio" o "grossolano". L'allegato B della norma ISO 8503-5 mostra una buona correlazione tra questi comparatori e la misurazione con i metodi a nastro e a stilo. Non esiste un metodo ISO per i micrometri di profondità, né si dovrebbero usare i micrometri di profondità per misurare sui comparatori di profilo a causa della mancanza di planarità dei comparatori.
Anche la NACE RP0287 (aggiornata nel 2016 a SP0287-2016-SG) mostra8 che le misure del nastro di replica e quelle del microscopio di messa a fuoco concordano entro i limiti di confidenza (due scostamenti standard ) in 11 casi su 14.
Il nastro di replica è semplice, relativamente economico e mostra una buona correlazione con i risultati del microscopio di messa a fuoco. Non sorprende quindi che sia diventato il metodo più popolare per la misurazione del profilo della superficie.
Il nastro Replica è costituito da uno strato di schiuma comprimibile applicato a un substrato di poliestere incomprimibile di spessore altamente uniforme (2 mils +0,2 mils9). Quando viene premuto contro una superficie d'acciaio irruvidita, la schiuma collassa e forma un'impronta della superficie. Ponendo il nastro compresso tra le incudini di un calibro di spessore micrometrico e sottraendo il contributo del substrato incomprimibile, 2 mil, si ottiene una misura del profilo della superficie.
Sottrarre automaticamente la pellicola incomprimibile da 50,8 μm (2 mils) da tutte le letture con il lettore di nastri PosiTector RTR H Replica.
Secondo la norma ISO 8503-5 "Questo metodo misura un 'profilo massimo medio da picco a valle' perché le incudini del calibro micrometrico appiattiscono leggermente il profilo di replica in modo che la lettura equivalga a un valore massimo medio, anche se ciò non equivale a una media matematica". Quindi, ancora una volta, abbiamo un metodo che misura essenzialmente la media dei picchi massimi.
Negli ultimi anni si sono diffusi altri due metodi di misurazione dei profili: il rugosimetro a stilo (ASTM D7127) e il micrometro di profondità (ASTM D4417 Metodo B). Le versioni elettroniche di questi strumenti hanno il vantaggio di ridurre l'influenza dell'operatore e di raccogliere e analizzare i dati di misura in modo digitale.
Per ulteriori informazioni sugli strumenti digitali per la misura dei profili di superficie, consultare il misuratore digitale di profili di superficiePosiTector SPG o il lettore digitale di nastri di replicaPosiTector RTR H .
Un dispositivo portatile per la misurazione della rugosità superficiale a stilo funziona disegnando uno stilo a velocità costante sulla superficie. Lo strumento registra le distanze in alto e in basso percorse dallo stilo mentre attraversa la superficie. Misura Rt in conformità alla norma ISO 428710, dove Rt è la distanza verticale tra il picco più alto e la valle più bassa entro una determinata lunghezza di valutazione di 0,5 pollici. Vengono eseguite cinque tracce e i valori Rt vengono mediati per ottenere la media dei picchi massimi.
Il comitato ASTM D01.46 ha completato una valutazione della precisione e della distorsione di questo metodo in 11 laboratori, chiedendo ai partecipanti di misurare cinque pannelli di prova in acciaio sabbiato con un nastro di replica e tre strumenti a stilo. Sono stati selezionati strumenti a stilo che avessero un'adeguata portata verticale per essere utili per la misurazione delle superfici relativamente ruvide di interesse per l'industria dei rivestimenti e delle coperture. Tuttavia, il profilo di alcuni pannelli superava i limiti di misura di alcuni degli strumenti selezionati.
I risultati preliminari hanno confermato una stretta relazione tra i metodi di rugosità del nastro di replica e dello stilo, proprio come aveva concluso ISO. Quando i risultati saranno pubblicati, i professionisti del settore avranno accesso a dati di correlazione affidabili.
Rimane solo il metodo del micrometro di profondità senza uno studio di confronto. Per fornire una correlazione tra tutti e tre i tipi di dispositivi, il presente documento propone di analizzare le misure del micrometro di profondità con un metodo che produca risultati simili a quelli del nastro e dello stilo e che sia 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 sufficiente di punti per caratterizzare la superficie, in genere cinque. In ogni punto si effettuano dieci letture e si registra la lettura più alta. La media di tutte le posizioni viene riportata come profilo della superficie.
L'impulso per questo studio è venuto dai test preliminari condotti su pannelli ASTM con un unico strumento micrometrico di profondità. Come mostrato nella figura 5, quando è stato utilizzato il metodo di analisi della media dei picchi massimi, i risultati dei micrometri di profondità si sono allineati strettamente con quelli del nastro e dello stilo.
Uno strumento micrometrico di profondità è dotato di una base piatta che poggia sulla superficie e di una sonda a molla che scende nelle valli del profilo superficiale. La base piatta poggia sui picchi più alti e ogni misura è quindi la distanza tra i picchi locali più alti e la particolare valle in cui la punta si è proiettata.
Attualmente, la norma ASTM D4417 richiede all'utente di calcolare la media di tutte le misurazioni micrometriche di profondità, indipendentemente da quanto basse possano essere alcune letture. Non sorprende che i risultati finali calcolati siano solitamente inferiori a quelli ottenuti con i metodi a nastro e a stilo. Questo studio ha confermato questa ipotesi (Fig. 12). Occasionalmente uno degli strumenti ha registrato valori pari o superiori ai risultati del nastro, ma si è trattato di un'eccezione.
Dopo lo studio ASTM a 5 pannelli di cui sopra, il metodo del micrometro di profondità era l'unico metodo senza uno studio di confronto. Per fornire una correlazione tra tutti e tre i tipi di dispositivi, il presente documento propone che le misure del micrometro di profondità siano analizzate con un metodo che produce risultati simili a quelli del nastro e dello 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 sufficiente di punti per caratterizzare la superficie, in genere cinque. In ogni punto si effettuano dieci letture e si registra la lettura più alta. La media di tutte le posizioni viene riportata come profilo della superficie.
L'impulso per questo studio è venuto dai test preliminari condotti su pannelli ASTM con un unico strumento micrometrico di profondità. Come mostrato nella figura 5, quando è stato utilizzato il metodo di analisi della media dei picchi massimi, i risultati dei micrometri di profondità si sono allineati strettamente con quelli del nastro e dello stilo.
Per confermare questi risultati, sono stati acquistati da KTA Labs11 venti pannelli sabbiati con tipi di materiali comuni e cinque micrometri di profondità comuni. Cinque persone hanno effettuato 50 misurazioni su ciascun pannello con ogni strumento in un ambiente controllato per un totale di 5.000 letture.
Su ogni pannello sono state effettuate almeno 3 misurazioni di replica del nastro e ne è stata fatta la media. Quando i risultati rientravano nelle regioni esterne dell'intervallo del nastro, sono state effettuate ulteriori misurazioni con il livello successivo di nastro e si è calcolata la media secondo le istruzioni del produttore.
Per ulteriori informazioni sulla misura del nastro direplica, vedere "Nastro di replica - Una fonte di nuove informazioni sul profilo di superficie".
Le misure di rugosità dello stilo sono state ottenute da tre comuni strumenti da campo per il confronto. Infine, le letture del metallo di base (BMR) di ciascun pannello sono state ottenute da calibri magnetici per lo spessore del rivestimento di tipo 1 e di tipo 2.
Le sonde DFT misurano la distanza dalla punta della sonda al piano magnetico dell'acciaio. Sull'acciaio liscio il piano magnetico coincide con la superficie dell'acciaio. Sull'acciaio ruvido il piano magnetico si trova tra il picco più alto e la valle più bassa del profilo, una posizione che può variare a seconda del tipo di strumento. Di conseguenza, la rugosità induce generalmente gli strumenti DFT a leggere 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 in plastica viene posizionato sul profilo nudo e misurato con il calibro DFT. Il calibro viene regolato in modo che il risultato corrisponda allo spessore dello spessore. Lo spessore simula l'accumulo di vernice sui picchi e la regolazione assicura che le misure 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 calibri DFT, sono state effettuate misure su tutti i pannelli con strumenti di tipo 1 (a trazione meccanica) e di tipo 2 (elettronici), dopo averli prima azzerati su acciaio liscio e piatto. 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 microsfere di vetro e un massimo di 1,2 mil sulla superficie sabbiata con graniglia S390. Complessivamente, lo strumento DFT ha fornito risultati di spessore compresi tra l'1 e il 26% dell'altezza del profilo della superficie misurata dal nastro di replica, con una media del 13% su tutti i pannelli.
Alcune rugosità superficiali superano le capacità di misurazione dei metodi a nastro e a stilo. Le buone pratiche suggeriscono che i nastri commerciali consentono di misurare 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 alla misurazione di superfici in acciaio sabbiato e non hanno raggiunto il massimo su nessuno dei pannelli.
Per gli intervalli di misurazione, consultare la guida all'ordine del calibro per profili di superficiePosiTector SPG .
Diversi pannelli presentavano aree in cui tutti i tipi di strumenti producevano valori di profilo elevati. 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 ciascun dispositivo nella stessa identica posizione su ciascun pannello (Fig. 7). Il nastro di replica ha esaminato un'area relativamente ampia, richiedendo quindi un minor numero di misurazioni per caratterizzare adeguatamente la superficie. I metodi dello stilo e del micrometro di profondità hanno sonde a punta fine che campionano un'area superficiale molto più piccola e quindi richiedono più misurazioni per caratterizzare adeguatamente una superficie. Le guide ISO, ASTM, NACE e SSPC tengono conto di questo aspetto.
Tutti i metodi hanno richiesto un'impostazione iniziale e una verifica dell'accuratezza prima di iniziare i test.
Consultare i manuali di istruzioni di PosiTector SPG e ai manuali di istruzioni di PosiTector RTR H per informazioni sulla configurazione e sulla verifica della precisione.
Su alcuni pannelli sono stati osservati dei cerchi dopo il test con il nastro replicante. Si ritiene che siano il risultato di particelle microscopiche impresse nella schiuma e trasportate via quando la schiuma è stata staccata. Su alcuni pannelli sono stati osservati graffi dopo il test con gli strumenti a stilo. Si ritiene che la superficie dell'acciaio sia stata leggermente modificata dal passaggio dello stilo con punta diamantata sui picchi (Fig. 9).
Durante i test risulta evidente che i risultati delle singole misurazioni del profilo superficiale sono meno ripetibili e presentano variazioni maggiori rispetto a quelle che gli utenti si aspettano da altre forme di misurazione del settore, come lo spessore del film secco (DFT), la temperatura o i test di brillantezza. Mentre due misure di DFT potrebbero essere molto simili, due misure di profilo superficiale possono differire notevolmente. Questa è la natura di una superficie sabbiata.
Ad esempio, su un pannello sabbiato con una miscela di sabbie di staurolite grossolane e fini, le misure del nastro di replica variavano tra 1,8 e 2,9 mil, gli strumenti a stilo tra 1,8 e 2,8 mil e i micrometri di profondità tra 0 e 5,6 mil. Tuttavia, tutti e tre i metodi hanno dato risultati finali di "media dei picchi massimi" di circa 2,5 mil.
Altrettanto spesso, però, i tre metodi hanno dato risultati non così vicini. I risultati del nastro e dello stilo a volte variavano anche del 30%. Su 2 pannelli sabbiati con graniglia S280 e ossido di alluminio a maglia #100, il nastro di replica ha rilevato 2,7 mil su entrambi, mentre il metodo a stilo ha registrato una media inferiore di 2,2 mil su entrambi. Al contrario, sulla sabbia silicea BX-40, il nastro di replica ha rilevato 1,5 mil, mentre il metodo a stilo ha registrato una media superiore di 1,9 mil. I valori medi ottenuti dai 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.
Durante le misurazioni del profilo superficiale con i micrometri di profondità sono stati osservati i seguenti punti:
I risultati di questo studio confermano la stretta relazione tra le misurazioni con nastro e con stilo, come dimostrato per la prima volta dai test ASTM round robin. I risultati hanno anche rivelato informazioni interessanti sul terzo tipo di strumento di misura, i micrometri per la profondità del profilo superficiale, che hanno ottenuto risultati paragonabili a quelli del nastro e dello stilo quando è stato utilizzato l'approccio di analisi della "media dei picchi massimi" (Fig. 12).
La superficie dell'acciaio sabbiato in qualsiasi punto presenta una variazione casuale, pertanto è necessario effettuare un certo numero di letture. L'obiettivo della valutazione è quello di determinare il massimo tra picco e valle. Le singole misurazioni della superficie di una superficie metallica sabbiata variano significativamente da un'area all'altra su una determinata superficie. Il modo in cui queste misure vengono combinate dipende dal parametro richiesto per il lavoro, che può essere l'altezza media del picco a valle, il suo massimo o anche qualcos'altro. Utilizzando l'approccio di analisi della "media dei picchi massimi", un micrometro di profondità fornisce misure affidabili del profilo della superficie che si correlano strettamente ai risultati dei nastri di replica e dei rugosimetri a stilo.
PosiTector SPG Advanced I modelli sono dotati di una modalità SmartBatch™ per conformarsi a vari standard e metodi di prova. Per impostazione predefinita, SmartBatch™ genera risultati simili a quelli ottenuti con i metodi del nastro di replica e dello stilo di trascinamento, calcolando automaticamente la media della profondità massima del profilo per tutti i punti all'interno dell'area di prova e visualizzando "la media dei picchi massimi".
DAVID BEAMISH (1955 - 2019), ex presidente di DeFelsko Corporation, un'azienda di New York produttrice di strumenti di prova portatili per rivestimenti venduti in tutto il mondo. Laureato in ingegneria civile, ha maturato oltre 25 anni di esperienza nella progettazione, produzione e commercializzazione di questi strumenti di prova in diversi settori internazionali, tra cui la verniciatura industriale, l'ispezione della qualità e la produzione. Ha condotto seminari di formazione ed è stato membro attivo di varie organizzazioni tra cui NACE, SSPC, ASTM e ISO.
