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Oberflächenbestimmung

Hilfsmittel und Messverfahren zur Bestimmung der Oberflächen-Rauheit und des
Oberflächen-Profils.


Die Rauheit ist eine Eigenschaft der Oberfläche, der nicht nur bei der Strahlbehandlung, sondern auch auf sehr vielen anderen Arbeitsgebieten der Technik grosse Bedeutung zukommt. Es ist somit nicht verwunderlich, dass die damit zusammenhängenden Probleme sehr eingehend untersucht worden sind und wir heute auch über ausführliche Normen verfügen, in denen sowohl die Bezugssysteme als auch die verschiedenen Messgrössen genau definiert und festgelegt worden sind. Für die Durchführung der Messungen steht heute dem Benützer überdies eine reiche Auswahl der verschie­densten Apparate und Einrichtungen zur Verfügung, vom einfachsten Vergleichsstandard bis zu den selbsttätig aus­wertenden Oberflächen-Mess- und Registriergeräten. Eine eingehende Behandlung aller mit diesem Problemkreis zu­sammenhängenden Fragen würde bei weitem den Rahmen dieses Handbuches überschreiten. Dem sich mit Fragen der Strahltechnik befassenden Leser wäre überdies mit einer solchen ausführlichen Darstellung wenig gedient. Aus diesen Gründen beschränken sich die nachfolgenden Ausführungen auf eine kurze Einführung in die Grundlagen und, was die Normen anbelangt, auf diejenigen Messgrössen, deren Ge­brauch sich in der Strahltechnik eingebürgert hat. In gleichem Sinne wird nur über eine beschränkte Auswahl jener Geräte berichtet, die speziell für die Untersuchung der Rauheit gestrahlter Oberflächen Verwendung finden. Der Ordnung halber sei noch festgehalten, dass im Nachfolgenden und in Übereinstimmung mit den Normen nunmehr die Bezeichnung «Oberflächen-Rauheit» benützt wird.

Beim Messen fallen die Ergebnisse in Form von Zahlenwerten an. Eine wichtige Forderung der Oberflächen-Messtechnik ist deshalb, dass auch mit verschiedenen Geräten für eine bestimmte Oberfläche und bei Wiederholung der Untersu­chung stets gleichwertige und somit auch mit einander ver­gleichbare M essdaten anfallen sollen.

Ausser diesen eigentlichen Messverfahren werden in der Strahltechnik gelegentlich und vor allem bei Auswärtsarbeiten sogenannte «Oberflächen-Normalien» verwendet, wobei die Rauheit der gestrahlten Fläche durch Sicht- und Tastver­gleiche abgeschätzt wird. Auch über diese Hilfsmittel wird kurz berichtet.


Grundlagen der Rauheitsmessung. Die in der Strahltechnik verwendeten Bezugsgrössen und deren Normung.

Die Aufgabe, die Rauheit einer Oberfläche mit genügender Genauigkeit auszumessen und mit einem System von ver­gleichbaren Zahlenwerten zu erfassen, stellt verschiedene, zum Teil schwierig zu lösende Probleme. Es wurde deshalb hierfür eine eigene Systematik entwickelt, die von dem in Abbildung 1 wiedergegebenen, schematischen Modell einer rauhen Oberfläche ausgeht. In der Darstellung sind bereits einige Begriffe durch Eintragen zeichnerisch erläutert worden. Es wird auch gleichzeitig der Begriff der richtungsabhängigen. Rauheit veranschaulicht, wie diese vielfach durch eine Bear­beitung wie z. B. Drehen usw. verursacht wird. Gestrahlte Oberflächen zeigen diese Erscheinung im allgemeinen nicht, sondern die Rauheit breitet sich, wie aus den verschiedenen, in den voranstehenden Kapiteln vermittelten Mikroaufnah­men gestrahlter Metalloberflächen ersichtlich, nach allen Seiten mehr oder weniger gleichförmig aus. Eine Ausnahme bilden nur jene Fälle, wo eine Fläche von einer vorangehenden Bearbeitung her bereits vor dem Strahlen eine richtungsabhängige Rauheit aufgewiesen hat.



Abb. 1. Schematisches Modell einer rauhen Oberfläche zur Darstellung verschiedener im Zusammenhang mit der Rauheits-Messung verwendeten Bezugs-Grössen.
1 = Rauhtiefe (roughness, primary texture).
2 = Rillenabstand (roughness spacing).
3 = Welligkeits-Tiefe (waviness, secondary texture).
4 = Welligkeits-A bstand (waviness spacing).
5 = Richtungs-Abhängigkeit der Oberflächenrauheit (lay = direction of dominant pattern).


Zur Ermittlung von Kennzahlen über die Rauheit wird das Profilbild ausgewertet, wie sich dieses durch das Legen einer senkrecht zur untersuchten Oberfläche stehenden Ebene ergibt. Die Schnittlinie stellt das «wirkliche Profil» der Kör­peroberfläche dar, von dem jedoch nur eine angenäherte Wiedergabe, als Bild oder Zeichnung, möglich ist. Beispiel siehe Abb. 3 weiter unten. Demgegenüber ist das sogenannte «Istprofil» eine angenäherte Wiedergabe des wirklichen Profils, wie sich diese bei der Abtastung der Oberfläche entlang der Messstrecke ergibt. Seine Wirklich­keitstreue hängt von zahlreichen Faktoren und insbesondere von der Abtastmethode sowie von der Art und der Ausführung des verwendeten Gerätes ab. Inwieweit vor allem Welligkeit und Formgestalt der Oberfläche im Istprofil enthalten sind, hängt vom verwendeten Tastsystem ab. Sämtliche ermittelten Kennwerte beruhen jedoch auf der Auswertung des Istprofiles. Um aus dem Istprofil die gewünschten Zahlenwerte für die Rauheit ermitteln zu können, müssen die verschiedenen Oberflächenmasse geometrisch eindeutig definiert sein, wofür eine Bezugslinie festgelegt werden muss. Zwei Bezugssysteme sind hierfür entwickelt worden, die in Abbildung 2 einander gegenübergestellt sind. Das E-System verwendet als Be­zugslinie für die Ausmessung das Hüllprofil (Hüll-Linie), währenddem beim M-System die Abweichungen des Istprofils auf eine Mittellinie bezogen werden. Die Normen der meisten Länder geben dem M-System den Vorzug, so dass an dieser Stelle auf das E-System nicht näher eingegangen wird. Beim M-System wird die Bezugslinie so gelegt, dass die Flächen­inhalte der Erhebungen gleich gross werden, wie die Flä­cheninhalte der Vertiefungen.



Abb. 2. Die beiden in den deutschen Normen vorgesehenen Bezugssysteme gemäss DIN 4768 und DIN 4762 über die Mess-Verfahren zur Bestimmung der Rauheit von Oberflächen. A = Bezugssystem gemäss DIN 4768, sogenanntes M-System - mit Mittel-Linie.
A = Bezugssystem gemäss DIN 4768, sogenanntes M-System mit Mittel-Linie. e.
M = mittlere Linie durch das vom Mess- Taster aufgenommene Oberflächenprofil. Diese Bezugslinie ist so gelegt, dass die Flächeninhalte der Erhebungen gleich gross werden wie die Flächeninhalte der Vertiefungen.
W = Welligkeit der Oberfläche (siehe auch Abbildung 223 Pos. 3 und 4); durch den Verlauf der mittleren Linie definiert.
L = Mess-Strecke d.h. die Weglänge, auf der das Ober¬flächenprofil durch den Messtaster aufgenommen und ausgewertet wird
6 = vom Messtaster aufgenommenes Profil = Istprofil.
M' = mittlere Linie des Rauheitsprofils, als Gerade aufgetragen. R = Rauheit
1 = Aufteilung der Gestaltsabweichungen einer Oberfläche auf Welligkeit einerseits und Rauheit anderseits.
2 = Welligkeitsprofil der Oberfläche.
3 = Rauheitsprofil der Oberfläche. Mittlere Linie als Gerade aufgetragen, gemäss Darstellung im M-System.
B = Bezugssystem gemäss DIN 4762, sogenanntes E-System mit Hüll-Linie, die als Bahn des Mittelpunktes einer über die Profilspitzen rollenden Kugel mit dem Radius von 25 mm definiert ist.
H = Hüll-Linie, manchmal auch Hüll-Profil genannt.
7 = Hüll-Linie des Rauheitsprofils, als Gerade aufgetragen.
4 = Aufteilung der Gestaltsabweichungen einer Oberfläche auf Hüll-Profil einerseits und auf die Rauheit anderseits.
5 = Rauheitsprofil der Oberfläche, Hüll-Linie als Gerade aufgetragen, gemäss Darstellung im E-System.
6 = Istprofil der Oberfläche. R = Rauheit.


In der Strahltechnik werden bei der Bestimmung der Rauheit gestrahlter Oberflächen vor allem die unten zusammen­gestellten Bezugsgrössen verwendet. Die zugehörigen Formeln sind der Tabelle XXVIII zu entnehmen.
  1. Arithmetischer Mitterauhwert = Ra. Es ist dies der Mit­telwert der Abstände der Punkte des Istprofils von seiner mittleren Geraden, ohne Rücksicht auf das Vorzeichen der Abweichungen.
     
  2. Gemäss den Britischen Normen wird in England für diese Bezugsgrösse die Bezeichnung «CLA = Centre Line Average» verwendet, in den USA hingegen die Bezeichnung «AA = Arithmetical A verage» oder auch gelegentlich «RHR = Roughness Height Rating».

  3. Grösste Rauhtiefe = Rt Dieser Wert wird gelegentlich auch maximale Rauhtiefe genannt und wurde früher mit dem Symbol «Rx » bezeichnet. Es ist dies der senkrechte Abstand zwischen dem höchsten und dem tiefsten Punkt des Istprofiles und entspricht somit der grössten Höhe der Gestaltabweichungen auf der Messstrecke.
     
  4. Gemittelte Rauhtiefe = Rz. Es ist dies der Mittelwert, gebildet aus den in fünf aufeinanderfolgenden Einzel­messstrecken festgestellten grössten Rauhtiefen.
     
  5. Quadratischer Mittenrauhwert = R«. Wird insbesondere in Deutschland oft auch «geometrischer Mittenrauhwert» genannt. Es ist dies die Wurzel aus dem Mittelwert der Quadrate der Abstände der Punkte des Istprofiles von seiner mittleren Geraden (Formel siehe Tabelle XXVIII). Sowohl gemäss den Britischen wie auch den amerikani­schen Normen wird die oben definierte Bezugsgrösse unter der Bezeichnung «RMS = Root Mean Square» aufgeführt. Es sei in diesem Zusammenhang auch festgehalten, dass in Kontinentaleuropa und vor allem in der Stahlindustrie für die Rauheitsprüfung von Stahlprodukten nicht nur der Begriff des Quadratischen Mittenrauhwertes bevorzugt wird, sondern auch die Bezeichnung «RMS» für diese Bezugsgrösse sich eingebürgert hat.
     
Hinweise:
  • Statt dem Begriff «Istprofil» wird vor allem in Deutschland gelegentlich auch die Bezeichnung «Rauheitsprofil» verwendet.
     
  • In den angelsächsischen Ländern werden die beiden Bezugsgrössen «AA» und «RMS» als für die Bedürfnisse der Strahltechnik ausreichend angesehen. In Konti­nental-Europa kommt es vor, dass der Wert Ra für sich alleine als nicht genügend aussagekräftig angesehen wird, um die Rauheit einer gestrahlten Oberfläche ausreichend zu beschreiben. In diesen Fällen wird gelegentlich auch die Bezugsgrösse R, zusätzlich gemessen und angegeben. (Siehe beispielsweise Abb. 193.) Neuerdings wird hierfür anstelle von Rt die Bezugsgrösse R, herangezogen.

Weitere Angaben über die Bezugssysteme, zusätzliche Messgrössen und deren Definition sind den einschlä­gigen Normen zu entnehmen, und zwar:

Deutsche Norm DIN 4762 (E-System) Deutsche Norm DIN 4768 (M-System) British Standard BS 1134:1961
American Standard ASA B 46-1-1962

In den angelsächsischen Ländern werden Werte über die Oberflächenrauheit in Micro-inch angegeben, im metrischen System hingegen in Mikron (u). , Die Um­rechnung erfolgt gemäss folgenden Ansätzen:

1 Mikron       = 39,37 microinches
1 microinch = 0,0254 Mikron 106 microinches = 1" = 25,4 mm

Die Rauhtiefe. Es handelt sich hier um einen früher in Deutschland gebräuchlichen Begriff, aus der Praxis der Rauheitsmessung vor Einführung der heutigen Normen ent­standen. Es wurde ein deutsches, optisches Gerät verwendet, das die Bandbreite des sogenannten Lichtschnittes misst. Dieser Wert dividiert durch den Sinus des Einfallwinkels ergibt die Rauhtiefe. Man trifft diesen Wert gelegentlich auch heute noch in der deutschen Fachliteratur an.


Tabelle XXVIII Graphische Darstellungen der Bezugsgrössen und zugehörige Formeln zur Bestimmung der Rauheit von Oberflächen nach dem M-System gemäss DIN 4762.
Erläuterungen:
A = graphische Darstellung und Formeln zu den Bezugs grössen «arithmetischer Mittenrauhwert Ra» und «quadratischer Mittenrauhwert RS» sowie deren engl. und amerik. Equivalente.
J = Istprofil = vom Messtaster aufgenommenes Profil der Oberfläche.
L = Mess-Strecke d.h. Weglänge, auf der das Oberflä chenprofil durch den Messtaster aufgenommen und ausgewertet wird.
x,y = rechtwinkliges Koordinaten-System.
Ra = arithmetischer Mittenrauhwert.
AA = Arithmetical Average (USA). RHR = Roüghness Height Rating (USA). CLA = Centre Line Average (England).
RS = quadratischer Mittenrauhwert, auch geometrischer Mittenrauhwert genannt.
RMS = Root Mean Square (USA).B = graphische Darstellung der Bezugsgrösse «grösste Rauhtiefe Rt».
J = Istprofil = durch Messtaster aufgenommenes Ober flächenprofil.
L = Mess-Strecke, auf der der Messtaster das Oberflä chenprofil aufnimmt und auswertet.
R, = grösste Rauhtiefe, früher auch mit maximaler Rauh tiefe R„,.. bezeichnet.= graphische Darstellung und Formel der Bezugsgrösse «gemittelte Rauhtiefe Rz».
L = gesamte Mess-Strecke, über die das Oberflächenprofil aufgenommen und ausgewertet wird, eingeteilt in 5 gleich lange, aneinander anschliessende Wegabschnitte «1e».
= grösste Rauhtiefe auf jedem der 5 Teilabschnitte der Mess-Strecke.
Rz = Bemittelte Rauhtiefe = arithmetischer Mittelwert aus den 5 auf den Teilabschnitten gemessenen grössten Rauhtiefen.


Abb. 2. Gegenüberstellung des durch einen metallurgischen Schliff veranschaulichten tatsächlichen Oberflächenverlaufs und des an der gleichen Stelle mit Hilfe eines Abtastgerätes aufgezeichneten Rauhigkeitsprofils. Die im oberen Bildteil wiedergegebene Mikrophotographie der Schliff-Fläche vermittelt einen Einblick in den wirklichen Verlauf der Oberfläche, im Unterschied zum darunter abgebildeten vom Schreibgerät aufge¬zeichneten «Ist-Profil» der gleichen Stelle. Für beide Darstellungen wurde der gleiche Vergrösserungs-Massstab verwendet, um die Unterschiede besonders deutlich zur Geltung zu bringen. N = oberer Bildteil = Schliff durch ein gestrahltes Musterblech. P = untere Bildhälfte = an der gleichen Stelle mit Hilfe eines Perth-O-Meters aufgenommenes Profildiagramm der Oberfläche.


Das Oberflächenprofil der Rauheitsmessung und der Einfluss des Vergrösserungsmassstabes.

Nach dem Linienabtastprinzip arbeitende Rauheitsmessein­richtungen sind im allgemeinen in der Lage, mit Hilfe von Zusatzgeräten sowohl die gemessenen Bezugsgrössen als auch das abgetastete Oberflächenprofil auf einen Registrierstreifen in Funktion der Messstrecke aufzuzeichnen. Der in einem linearen Koordinatensystem aufgetragene Kurvenzug gibt das entlang der Schnittlinie festgestellte «Istprofil» wieder, das ja dem tatsächlichen Oberflächenverlauf nicht entspricht und aus messtechnischen, mit dem System der Abtastung zusam­menhängenden Gründen auch gar nicht genau wiedergeben. kann. Der Unterschied wird durch Abbildung 2 veran­schaulicht. Im oberen Bildteil ist ein senkrechter Schliff durch das gestrahlte Material zu sehen, darunter das entlang der Schnittlinie abgetastete Rauhigkeitsprofil. Die Mikrophoto­graphie der Schlifffläche vermittelt das «wirkliche Profil» der Oberfläche im Unterschied zum darunter abgebildeten, vom Gerät aufgezeichneten «Istprofil», wobei sorgfältig darauf geachtet wurde, die gleichen Vergrösserungsmassstäbe zu wählen wie für die Photographie. Aus diesem Grunde ist denn auch weder der horizontale noch der vertikale Vergrösse­rungsmassstab in Abb. 225 angegeben worden, wie dies sonst allgemein üblich ist. Das vom Schreibgerät in einem Koordinatensystem aufgezeichnete «Rauheitsprofil» soll dem Betrachter einen möglichst genauen Einblick in die Struktur der gestrahlten Oberfläche vermitteln. Wesentlich ist hierfür vor allem die Wahl geeigneter Vergrösserungsmassstäbe, wobei die horizontale und die vertikale Komponente sorgfältig aufeinander abgestimmt werden müssen, um Verzerrungen in der Darstellung des Profils zu vermeiden. So hat beispielsweise eine zu hohe Horizontalübersetzung eine starke Streckung der aufgezeichneten Kurve zur Folge, die ihrerseits den falschen Eindruck einer in Wirklichkeit gar nicht vorhandenen, ver­hältnismässig flachen Oberfläche hervorrufen würde. Auch die Wahl einer geeigneten Vertikalvergrösserung ist wesentlich, um — wie aus dem Beispiel Abbildung 3 hervorgeht — einen guten Einblick in die Struktur der Oberfläche zu vermitteln. Der grössere Vertikalmassstab bringt wesentlich mehr Ein­zelheiten der Oberflächenrauheit zur Geltung.


Abb. 3. Einfluss der Vertikal-Komponente des Vergrösserungs-Massstabes auf das vom Schreibgerät aufgezeichnete «Rauheitsprofil», veranschaulicht durch Gegenüberstellung zweier mit verschiedenen Vertikal- Vergrösserungen aufgenommenen Diagramme der gleichen Stelle eines durch Strahlen mit Stahlschrot S-170 (Betriebsgemisch) entzunderten Warmbandes aus Stahl mit niedrigem C-Gehalt. Beide Registrierstreifen aufgenommen mit einer Vorschubge¬schwindigkeit von 10 mm = 250 Mikron-Taster- Weg. Vergrösserung horizontal somit in beiden Fällen = 40 zu 1. Massstäbe in Vertikal-Richtung:
Diagramm A: 10 mm = 25 Mikron vertikal. Vergrösserung somit 400 zu 1.
Diagramm B: 10 mm = 100 Mikron vertikal. Vergrösserung somit vertikal 100 zu 1.


Oberflächennormallen» als Hilfsmittel zur Schätzung gestrahlter Flächen durch Sicht- und Tastvergleich.

Oberflächennormalien sind ein in der Werkstatt vielfach verwendetes Hilfsmittel, um dem Arbeiter eine Schätzung der Rauheitsgrenze zu erleichtern, die er bei der Bearbeitung nicht überschreiten darf. Da Strahlarbeiten oft an Ort und Stelle und somit auswärts ausgeführt werden müssen, sind ähnliche Hilfsmittel auch für die Schätzung der Rauheit gestrahlter Flächen entwickelt worden. Es handelt sich einerseits um einen Sichtvergleich, bei dem die Samtartigkeit, das Aussehen und die Struktur der Oberfläche beurteilt werden, anderseits aber auch um eine Tastprüfung (Fingernagelprobe). In der Schweiz wurde über solche Oberflächennormalien die Norm VSM 10321 veröffentlicht.

Ein solches unter dem Namen «Rugotest» bekannt gewordenes Hilfsmittel für Sicht- und Tastvergleiche gestrahlter Oberflä­chen hat die Firma Pierre Roch GmbH in Rolle (Schweiz) in Zusammenarbeit mit der Georg Fischer AG in Schaffhausen und mit französischen Amtsstellen entwickelt. Es wird demzufolge auch in zwei Ausführungen hergestellt, die sich jedoch untereinander nur durch die Numerierung unterscheiden. Abbildung 4 zeigt eine solche Vergleichsnormalie mit schweizerischer Numerierung. Die Strahlmuster sind in zwei Kolonnen angeordnet. Links stehen die mit rundem Schrot (A), rechts die mit kantigem Kies (B) behandelten Flächen. Der «Rugotest» kann somit nur beim Arbeiten mit Eisen- oder Stahlstrahlmitteln Verwendung finden. Der Numerierung sind bestimmte Rauheitswerte zugeordnet. die für Ra sowohl in Mikron als auch in Mikroinch angegeben sind, wie aus fol­gender Zusammenstellung hervorgeht:




Abb. 4. Oberflächen-Normalien «Rugotest No. 3» für Sicht-und Tastvergleiche gestrahlter Oberflächen, hergestellt von der Firma Pierre Roch GmbH in Rolle (Schweiz) in Zusammenarbeit mit der Fa. Georg Fischer AG, Schaffhausen, und mit dem französischen Hauptlaboratorium für Rüstung. Die Abbildung zeigt die Ausführung mit schweizerischer Numerierung über mit metallischen Medien gestrahlte Oberflächen.
A = senkrechte Reihe links = mit rundem Schrot gestrahlte Fläche
B = senkrechte Reihe rechts = mit kantigem Eisenkries gestrahlte Oberflächen.
a = grobe Körnung.
b = feine Körnung.

In England werden ähnliche Vergleichsnormalien für ge­strahlte Oberflächen durch die Firma Rupert & Co. Ltd. in Cheadle. Cheshire, hergestellt. In diesem Zusammenhang ist auch bemerkenswert, dass in der British Standard Specification BS 4232 über die an gestrahlte Oberflächen von Stahl zu stellenden Qualitätsanforderungen die Verwendung von Vergleichsnormalien «Rugotes.t» oder ähnlicher Fabrikate erwähnt und empfohlen wird.


Die Verfahren zum Messen der Oberflächenrauheit

Für die meisten Anwendungsgebiete der Strahltechnik stellt die Rauheit eine sehr wichtige, wenn nicht sogar neben der Reinheit die wichtigste Eigenschaft der gestrahlten Oberfläche dar. Immer mehr wird es üblich und notwendig, in Pflich­tenheften und bei Vertragsabschlüssen die einzuhaltenden Werte für die Rauheit der Oberfläche vorzuschreiben. Dies trifft zum Beispiel auch in hohem Masse für alle mit dem Korrosionsschutz zusammenhängenden Oberflächenbehand­lungen zu. des weiteren auch im Walzwerkbetrieb und in vielen anderen Industriezweigen. In allen diesen immer zahlreicher werdenden Fällen ist es unumgänglich, die Rauheit genau zu messen und laufend zu überwachen. Es stehen für diese Zwecke sehr verschiedene Messverfahren und Methoden zur Verfügung. Für die in der Werkstatt durchgeführten, kontinuierlich ablaufenden Arbeitsverfahren werden heute in vermehrtem Umfang anspruchsvolle Messmethoden an­gewendet. währenddem bei Auswärtsarbeiten einfach zu handhabende. wenn auch weniger aufschlussreiche Apparate und Verfahren verwendet werden.

Im Rahmen dieses Handbuches kann aus verständlichen Gründen nur über jene Geräte und Verfahren berichtet werden, die speziell für die Bestimmung der Rauheit ge­strahlter Oberflächen Bedeutung erlangt haben, wobei fol­gende Einteilung zu Grunde gelegt wurde:
  1. Instrumente. vor allem zur Verwendung ausserhalb der Werkstatt bestimmt, nach dem Prinzip der mechanischen oder magnetischen Punktmessung arbeitend
  2. Die Methoden der lichtoptischen Rauheitsmessung
  3. Pneumatische Rauheitsmessgeräte.
  4. Rauheitsmessung nach dem Linienabtastverfahren
Messen und Zählen von Profilspitzen (Peaks) Die Problemstellungen und deren Lösung werden jeweilen an Hand einzelner, ausgewählter Beispiele behandelt.


Nach dem Prinzip der mechanischen oder magnetischen Punktmessung arbeitende Instrumente zur Verwendung beim Strahlen an Ort und Stelle.

Soll bei Strahlarbeiten auf Baustellen und somit ausserhalb der Werkstatt die Rauheit der Oberfläche nicht nur durch Tast- und Sichtvergleich mit Hilfe von Normalien überprüft werden, sondern durch effektives Messen, so benötigt man für diesen Zweck möglichst einfache und robuste Instrumente. die auch an die Handhabung keine allzugrossen Anforderungen stellen. Anderseits ist es aber auch nicht möglich. auf diesem Wege grössere Ansprüche an Genauigkeit oder Messpro­gramm zu erfüllen.

In Abbildung 5 ist als Beispiel ein Instrument dieser Art zu sehen. Die Ausführung ist derjenigen klassischer Präzisions­messuhren sehr ähnlich. Die Anzeige erfolgt durch einen aus dem Messflansch unten herausragenden spitzen Dorn mit Hilfe eines mechanischen Übersetzungsgetriebes. Wird das Instrument mit dem Messflansch flach auf die zu prüfende Stelle aufgesetzt, so misst die Dornspitze den Höhenunter­schied zwischen dem Wellental des Profils und der Auf­lagefläche. Es handelt sich somit um eine Punktmessung unter Anzeige des Rt-Wertes an der betreffenden Stelle, wobei keine hohen Anforderungen an die Genauigkeit der Abtastung gestellt werden können. Zumeist werden deshalb immer eine grössere Anzahl Messungen an verschiedenen Orten der Oberfläche vorgenommen, um einen Überblick über die Rauheitsverteilung zu erhalten. Massgebend ist jedoch immer der grösste für R, gemessene Wert.


Abb. 5. Messuhr für die mechanische Punktmessung der Rauhigkeit gestrahlter Oberflächen unter Anzeige des Rc Wertes an der abgetasteten Stelle. Skale in Mikroinch.


Abbildung 6 zeigt ein vom gleichen Hersteller entwickeltes Instrument, das, nach dem Prinzip des magnetischen Dik­kenmessers arbeitend, den oben erwähnten Nachteil ver­meidet, mit dem aber keine genau defmierte Bezugsgrösse gemessen werden kann. Beim Gebrauch kommen die speziell ausgebildeten Messkontakte über eine grössere Anzahl nahe beieinander stehender Profilspitzen zu liegen. Es wird ein Mittelwert der Profiltiefe unterhalb der Messfläche angezeigt. Der Zeiger spielt über eine Skala, die jedoch keine Zahlen­werte aufweist, sondern in drei verschieden gefärbte Sektoren eingeteilt ist, und zwar:

Blaue Zone: Mittelwert der Rauheit liegt zwischen etwa 0,001" und 0,004" = etwa 25 und 100 Mikron
Gelbe Zone: Mittelwert der Rauheit liegt zwischen 0,002" und 0,004" = etwa 50 bis 100 Mikron
Rote Zone: Rauheit höher als 0,004" resp. mehr als 100 Mikron



Abb. 6. Instrument zur Prüfung der Oberflächenrauheit gestrahlter Werkstücke aus Stahl oder Eisen. Es werden keine genau definierten Messwerte oder Bezugsgrössen angezeigt, sondern nur drei durch verschiedene Farben gekennzeichnete Zonen über die Eignung der behandelten Fläche für das Metallisieren nach dem Schoopschen Spritzverfahren, für den Farbauftrag usw.

Instrument eignet sich nur für die Prüfung von gestrahlten Flächen an Objekten aus Stahl oder Eisen, da ein magneti­scher Messkreis angewendet wird, wobei die Messstellen in direkten Kontakt mit der aufgerauhten Oberfläche kommen. Vor Gebrauch muss die Anzeigevorrichtung auf Null gestellt werden. Dies geschieht durch Auflegen der Messfläche auf ein glattes Eisenblech.

Seitens des Herstellerwerks wird angegeben, (12-ss bei Zeig­erstellung im gelben Bereich die Rauheit der Oberfläche den Anforderungen der Spritzmetallisierung entspricht, wäh­renddem die blaue Zone für den Auftrag von Farbanstrichen günstige Bedingungen ergibt. Die rote Zone ist für die Vor­bereitung von Oberflächen vor dem Auftrag von Hartmetallen durch Spritzen bestimmt.


Abb. 7. Untersuchung der Oberflächenstruktur und Messen der Profilhöhe im licht-optischen Mikroskop nach der Methode des optischen Lichtschnittes.
A = Grundprinzip des Lichtschnitt-Messverfahrens mit senkrecht zur Profilebene stehender Schnittfläche (Leitz, Wetzlar).
L = senkrecht stehendes, durch eine Spaltblende erzeugtes, schmales Lichtbündel.
S = Schnittlinie zwischen Lichtbündel L und untersuchter Oberfläche.
B = beim Blick in das Okular des Mikroskopes wird im Lichtschnitt der Verlauf der gestrahlten Oberfläche sichtbar, wobei «H» die grösste beobachtete Rauhtiefe darstellt.
C = im Okular sichtbare Messplatte für die Auswertung der grössten Rauhtiefe R,.


Die Methoden der lichtoptischen Rauheitsmessung.

Die Rauheit einer gestrahlten Oberfläche kann grundsätzlich auch in einem Mikroskop gemessen werden. Zuerst wird auf die im Gesichtsfeld sichtbaren höchsten Profilspitzen scharf eingestellt. Dies ergibt die Ausgangsstellung zur Messung. Sodann wird mit der Mikrometerschraube die Scharfein­stellung auf den tiefsten Punkt des Profils verschoben. Am, Nonius der Mikrometerschraube kann der Verstellweg abge­lesen werden, somit die Profilhöhe zwischen tiefstem und höchsten Punkt bestimmt ist. Gemessen wird somit die Bezugsgrösse Rt. Diese Methode stellt in der praktischen Durchführung einige Anforderungen an die Geschicklichkeit des Beobachters. Es handelt sich um die Bestimmung kleiner Grössen von einigen Mikron an aufwärts. Um die Scharf­einstellung zu erleichtern, ist somit ein Mikroskop mit min­destens etwa 500facher Vergrösserung und dementsprechend geringer Tiefenschärfe erforderlich, das überdies mit Auf­lichtbeleuchtung ausgerüstet sein muss.

Für die Untersuchung der Oberflächenstruktur und das Messen der Profilhöhe sind deshalb spezielle optische In­strumente entwickelt worden, die nach dem Prinzip des optischen Lichtschnittes arbeiten. Durch eine im Innern des Instrumentes eingebaute Lichtquelle wird das Bild einer Spaltblende auf die zu untersuchende Oberfläche geworfen. Abbildung 7  veranschaulicht das hierbei angewandte Grundprinzip des Lichtschnitt-Messverfahrens, bei dem ein dünner, hell beleuchteter Querschnitt durch das Profil entsteht. Die Darstellung zeigt das von der Fa. Leitz, Wetzlar, ver­wendete System mit senkrecht zur Profilebene stehendem Lichtschnitt, während bei anderen Bauarten das Licht unter einem Einfallwinkel von zumeist 45° auf die Profilebene auftrifft. Bei der Berechnung der Profilhöhe muss ausser dem Vergrösserungsmassstab auch der Einfallwinkel berücksichtigt werden. Beim Blick in das Okular eines Lichtschnitt-Mikro­skops wird neben dem Profil auch das Bild einer Messplatte sichtbar, auf der der Wert «H» in Millimeter abgelesen werden kann. Die Korrektur erfolgt durch Multiplikation mit dem Sinus des Einfallwinkels (somit bei 90° = 1 und bei 45° = 0,707). Die grösste Rauhtiefe Rt, erhält man sodann mittels Division durch die angewendete Gesamtvergrösserung des Mikroskopes. Für den Messraum eines strahltechnischen Prüffeldes dürfte ein Lichtschnitt-Mikroskop nur ganz aus­nahmsweise beschafft werden. Man gibt hier Instrumenten den Vorzug, mit denen nicht nur Rt, sondern auch weitere Bezugsgrössen wir Ra, RMS und so weiter gemessen werden können. In grossen Betrieben und vor allem in Stahlwerken bestehen jedoch metallurgische Laboratorien, die über Auf­licht-Mikroskope mit vielseitigem Zubehör einschliesslich Lichtschnitt-Messeinrichtung verfügen und in denen deshalb auch optische Untersuchungen der Rauheit gestrahlter Ober­flächen durchgeführt werden können.


Abb. 8-A. Von der BISRA 113) entwickelte, für die Verwendung auf Baustellen bestimmte, nach dem Prinzip des optischen Lichtschnittes arbeitende, tragbare Apparatur für die Untersuchung gestrahlter Stahlkonstruktionen auf Rauheit und Eignung für den nachfolgenden Auftrag von Schutzanstrichen. Die Ausrüstung wird von der Firma «Elcometer Instruments Ltd., Droylsden, Manchester» unter dem,Namen «Roughtector» hergestellt. Werkfoto: Corporate Engineering Laboratories, British Steel Corporation, Battersea Park Road, London SW 11 4LZ.

Die Vereinigten Laboratorien des Verbandes der Britischen Eisen- und Stahlindustrie BISRA113) haben nach langjährigen Studien eine neuartige Lösung für das Problem der Rau­heitsmessung gestrahlter Oberflächen auf Baustellen und bei Auswärtsarbeiten entwickelt. Diesem Apparat liegt ebenfalls das Prinzip des optischen Lichtschnittes zugrunde. Erfinder ist Charles Burns, auf dessen Namen auch die Patente lauten. Die Ausrüstung wird durch die Firma Elcometer Instruments Ltd., Droylsden, Manchester, hergestellt und kommt unter dem Namen «Roughtector» auf den Markt. Der Apparat ist zur Untersuchung von Stahlkonstruktionen nach dem Strahlen bestimmt und soll einerseits die Möglichkeit bieten die grösste Rauhtiefe R, abzuschätzen, anderseits aber auch die Prüfung erlauben, ob die Rauheit der gestrahlten Oberfläche innerhalb der für den Auftrag von Schutzanstrichen empfohlenen Werte und somit in der Grössenordnung zwischen 0,01 und 0,1 mm liegt.



Abb. 8-B. Bild des Lichtschnittes einer gestrahlten Stahloberfläche, wie sich dieses dem Betrachter beim Blick in den «Roughtector» (siehe Abb. 8-A) darbietet mit den fünf eingespiegelten, horizontalen Teilstrichen als Hilfsmittel zum Schätzen der Oberflächen-Rauheit. Vergrösserung in der Horizontalebene fünfzigfach bei einer sichtbaren Bildbreite von 100 mm, in der Vertikalebene hingegen hundertfach. Werkfoto: Corporate Engineering Laboratories, British Steel Corporation, Battersea Park Road, London SW 11 4LZ

Abbildung 8-A zeigt den Apparat im Gebrauch. Hierzu wird der den optischen Teil enthaltende Kasten gegen die zu untersuchende Oberfläche gehalten. Da das Gerät vor allem auf Baustellen Verwendung finden soll, muss es von der Netzstrom-Versorgung unabhängig sein. Um das Gewicht des optischen Teils unter 2 kg zu halten und die Bedienung zu erleichtern, wird die Ausrüstung mit separater, auf den Boden zu stellender Batterie geliefert. Die Lösung des gestellten Problems beruht auf einer Weiterentwicklung des Prinzips des optischen Lichtschnittes. Zum Gebrauch wird das Instrument mit der Frontseite gegen die zu untersuchende Fläche gedrückt, bis alle drei Distanzbolzen aufliegen und die Prüf­stelle somit in die Beleuchtungsebene des optischen Systems zu liegen kommt. Durch die Spaltblende entsteht ein dünner, heller Lichtschnitt. Dieser wird jedoch nicht wie sonst üblich durch das Okular eines Mikroskopes betrachtet, sondern das Bild wird mittels eines eingebauten Linsensystems vergrössert auf eine im hinteren Teil des Apparatekastens angeordnete Beobachtungsebene projiziert. Die Vergrösserung ist in der Horizontalebene fünfzigfach, in der Vertikalebene hingegen hundertfach, um die Rauheit der Oberfläche überhöht zur Geltung zu bringen und auf diese Weise die Messung zu erleichtern. Entsprechend der Kastenbreite beträgt die Länge des auf der Projektionsebene sichtbaren Lichtschnittes etwa 100 mm. Abbildung 8-B zeigt das auf dem Beobachtungs­schirm sichtbar werdende Bild des Lichtschnittes. Um die Auswertung zu erleichtern, ist, wie auf dem Foto zu ersehen, auf der Projektionsebene eine Skala von fünf horizontalen Teilstrichen in das Schnittbild der Oberfläche eingespiegelt, das einen oscilogrammähnlichen Eindruck vermittelt. Dem Bedienungsmann scheint das Bild optisch in einer gewissen Distanz zu stehen, was die Beobachtung wesentlich erleichtert, vor allem auch für Brillenträger. Das Bild ist reell und kann somit mit Hilfe eines Zusatzgerätes photographisch festge­halten werden. Da der Apparat nur nach optischen Prinzipien arbeitet, können nicht nur Oberflächen von Stahl oder Eisen, sondern auch von anderen Materialien wie Holz, Stein, NE-Metallen usw. damit untersucht werden. Hingegen ist es nicht möglich, mathematisch definierte Bezugsgrössen wie z. B. Ra, RMS usw. mit diesem Gerät zu messen. Trotzdem stellt dieses Gerät ein neues und wertvolles Hilfsmittel dar zur Untersuchung und Überwachung von gestrahlten Oberflächen auf Baustellen und bei Auswärtsarbeiten.


Pneumatische Rauheitsmessgeräte.

In der Werkstattechnik werden schon seit langem pneuma­tische Messmethoden zur Lösung verschiedener Aufgaben mit Erfolg angewendet. So hat die französische Automobilindu­strie in den Jahren zwischen den beiden Weltkriegen nach diesem Prinzip arbeitende Messgeräte in grossem Ausmass vor allem in der Serienfertigung eingesetzt, sei es für die Kontrolle der Passungen, sei es für eigentlich Messaufgaben. Es lag somit nahe, auf diesen sehr genau arbeitenden Methoden auf­bauend, Lösungen für das schwierige Problem der Rau­heitsmessung gestrahlter Oberflächen beim Arbeiten auf Baustellen zu entwickeln.

Nach längeren Vorstudien wurden von der Forschungsab­teilung des Verbandes der Lack- und Farbenfabriken von Grossbritannien die erforderlichen Grundlagen für ein solches Messverfahren sowie die zugehörigen Geräte ent­wickelt, währenddem die Apparate heute unter dem Namen «P.R.S. Roughness Gauge» von der Firma Elcometer In­struments Ltd. in Droylsden, Manchester, hergestellt werden. Die pneumatische Rauheitsmessung war zum Zwecke gedacht, zusammen mit der ebenfalls von der P.R.S. herausgebrachten, auf dem Reflexionsverhalten beruhenden Prüfung auf Rein­heit ein kombiniertes Kontrollsystem für die Untersuchung gestrahlter Oberflächen zur Verfügung zu stellen. Es sollte nicht nur eine wesentlich grössere Sicherheit in der Beurteilung erreicht werden, sondern auch eine bessere Vorbereitung der Flächen für den nach­folgenden Auftrag von Schutzanstrichen. Diese Bestrebungen beruhen auf der Erkenntnis, dass die Reinheit zwar ein sehr wichtiger, jedoch nicht der einzige Faktor ist, sondern auch die Rauheit der Oberfläche eine wesentliche Rolle für die Haftung und Dauerhaftigkeit des Korrissionsschutzes spielt. Ist beispielsweise die Rauheit zu gross, so besteht bei normaler Anstrichdicke die Gefahr, dass einzelne Profilspitzen durch die Farbschicht hindurch ragen. Wird in solchen Fällen eine entsprechend dickere Schicht aufgetragen, so ergeben sich sowohl hohe Kosten als auch unter Umständen eine schlechte Haftung. Ein Kontrolle der Rauheit ist somit ebenso wichtig wie die Prüfung auf Reinheit.

Die Messung der Rauheit beruht auf folgender Beobachtung. Wird die glatte Unterseite eines an eine Druckluft-Zuleitung angeschlossenen Messkopfes satt auf eine gestrahlte Ober­fläche aufgelegt, so ergibt sich kein vollständig dichter Abschluss. Durch das rauhe Profil entstehen Druckluft-Ver­luste, die ihrerseits zu einem Druckabfall in der Zuleitung führen. Je rauher die gestrahlte Oberfläche, um so grösser ist der Druckluft-Verlust und somit auch um so höher der gemessene Druckabfall. Untersuchungen haben ergeben, dass eine lineare Beziehung besteht zwischen dem Druckabfall in der Zuleitung und dem arithmetischen Mittenrauhwert Ra (CLA = Centre Line Average). Es wurden auch zahlreiche andere Zusammenhänge abgeklärt, auf die jedoch hier nicht eingegangen werden kann.

Um Messungen auswärts auf Baustellen durchführen zu können, wurde eine tragbare Ausrüstung entwickelt, deren Arbeitsprinzip in Abbildung 9 schematisch veranschaulicht ist, währenddem der eigentliche Messkopf vergrössert im Schnitt dargestellt ist. Um genaue und zuverlässige Messer­gebnisse zu erhalten, ist es bei jeder pneumatisch arbeitenden Einrichtung erforderlich, den Vorlaufdruck, mit dem die Pressluft der Apparatur zuströmt, nicht nur gut einstellen, sondern auch einwandfrei konstant halten zu können. Dieses Problem ist durch die Verwendung von Druckgas in kleinen, tragbaren Vorratsflaschen gelöst worden. Ausser Druckluft können auch andere Gase wie Kohlendioxyd (CO2) oder Stickstoff benützt werden. Zum Gebrauch wird der Messkopf zunächst mit einem biegsamen Gummischlauch an ein sehr fein und genau einstellbares Nadelventil angeschlossen. Von hier aus führt ein zweiter Gummischlauch mit grösserem« Durchmesser zum an der Druckgasflasche montierten Druckreduzierventil, an dem der Vorlaufdruck eingestellt wird. Unten im Messkopf ist, wie aus der Schnittzeichnung ersichtlich, eine kalibrierte Düse eingebaut, deren Durch­messer das Volumen der ausströmenden Druckluft in Funk­tion des Druckes vor der Düse massgebend bestimmt. Wird nun der Druckabfall zwischen Nadelventil und Düse an den Manometern abgelesen, so kann daraus die durch die rauhe Auflagefläche unter dem Messkopf abfliessende Luftmenge ermittelt und indirekt somit auch die Bestimmungsgrösse Rader Oberflächenrauheit gemessen werden.


Abb. 9. Arbeitsprinzip der von der Forschungs-Abteilung der P.R. S.114) entwickelten, nach der pneumatischen Mess-Methode arbeitenden Ausrüstung für die Bestimmung der Oberflächen-Rauheit gestrahlter Flächen. Die Apparatur eignet sich auch zur Verwendung auf Baustellen und bei Auswärtsarbeiten und wird unter dem Namen «P.R.S. Roughness Gauge» von der Fa. Elcometer Instruments Ltd. hergestellt.
1 = Hochdruck- Vorratsflasche mit Druckgas (Druckluft, CO, oder Stickstoff).
2 = Armaturen-Batterie mit Kontrollmanometer, Abstellhahn und Druckreduzier- Ventil sowie zweitem Manometer für den abgegebenen Sekundärdruck.
3 = Gummischlauch zum Anschluss der Messausrüstung an die Druckluft- resp. Druckgas-Versorgung respektiv des Messkopfes an die Mess-Apparatur Pos. S.
4 = Messkopf
5 = Mess-Apparatur mit eingebautem fein regulierbarem Präzisions-Nadelventil sowie zwei eingebauten Mano¬metern M1 und M2.
6 = sehr fein und genau einstellbares Präzisions-Nadelventil. Ml= Manometer zur Kontrolle des Vorlaufdruckes.
M2 = Manometer zur Feststellung des Messdruckes nach dem Nadelventil.
A = A nschluss-Stutzen für Gummischlauch zwischen Mess¬Apparatur Pos. 5 und Messkopf Pos. 4.
B = kalibrierte Düse für Druckluft resp. Druckgas.
C = ringförmige Gummidichtung.
D = A npress-Platte aus Metall.
E = A npress-Feder.
F = Führungs-Stück zur Anpress-Vorrichtung.
G = Gehäuse.
H = Flansch des Messkopf-Gehäuses.
S = gestrahlte Werkstück-Oberfläche


Die Durchführung der Messungen ist verhältnismässig einfach. Es wird mit niedrigen Drücken gearbeitet, die in der Grös­senordnung von 0,2 bis 0,35 kg/cm2 am Austritt des Druck­reduzierventils liegen. Bei der Durchführung der Messungen ist sehr darauf zu achten, dass der Messkopf stets fest auf die zu prüfende Fläche aufgesetzt und allseitig gleichmässig angepresst wird. Diese Bedingung ist wesentlich, da durch ungleichmässiges Aufliegen einseitige zusätzliche Druckluft­verluste und damit Messfehler verursacht würden. Zunächst wird eine Eichung mit einem gestrahlten Blech aus nicht­rostendem Stahl und bekanntem Ra-Wert durchgeführt. Hierzu wird der Messkopf auf der Oberfläche festgehalten, währenddem mit dem Druckreduzierventil der Vordruck am Manometer M1 auf 125 cm WS eingestellt wird, bei vollständig geöffnetem Nadelventil. Sodann wird mit diesem letzteren der Druck nach dem Nadelventil solange verringert, bis das Manometer M2 ungefähr 75 cm WS anzeigt. Es empfiehlt sich, diese Einstellung mehrmals zu wiederholen und zu über­prüfen. Der Druckanfall beträgt in diesem Eichpunkt somit Ap = M1— M2 = ca. 50 cm WS. Oberflächen mit grösserer Rauheit und somit höheren Ra-Werten ergeben niedrigere Ablesungen am M2-Manometer und somit höheren Druck­abfall; weniger rauhe Oberflächen hingegen höhere Drücke am M2-Manometer und entsprechend niedrigeren Druckab­fall. Wird eine vollständig glatte Oberfläche ausgemessen, so sollte theoretisch kein Druckabfall mehr festzustellen sein. Wie erwähnt, haben Untersuchungen ergeben, dass eine lineare Beziehung zwischen dem gemessenen Druckabfall und dem Ra-Wert besteht. Die Eichkurve hat somit die Form einer Geraden. Hat man ein weiteres Musterblech mit einem anderen Ra-Wert zur Verfügung, so kann ein zusätzlicher Kontrollpunkt auf der Eichkurve überprüft werden.


Quelle: Dipl.-Ing. ETH I. Horowitz: Oberflächenbehandlung mittels Strahlmitteln