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Oberflächen Messverfahren

Oberflächen Messverfahren


Messverfahren zur Kontrolle gestrahlter Oberflächen auf Reinheit.

In Zusammenhang mit sorgfältig gestrahlten Oberflächen wird vor allem bei warmgewalzten Stahlerzeugnissen der Ausdruck «metallisch rein» verwendet. Sobald es sich aber um die Weiterverarbeitung dieser Produkte handelt — sei es nun durch Kaltverformung, durch Auftrag von Farbschichten oder anderen Schutzüberzügen, durch Oberflächen-Veredlung usw. —, stellt sich bei der Fabrikation sehr bald die Frage: «Wie sauber ist eigentlich diese sogenannt metallisch reine Oberfläche, die soeben gestrahlt worden ist?». Die Anforderungen, die an die Reinheit gestellt werden müssen, sind je nach dem Produkt, der Art der Weiterverarbeitung und dem angewandten Verfahren sehr verschieden. Um so mehr ergibt sich in all diesen und zahlreichen anderen Fällen die Notwen¬digkeit oder zum mindesten der Wunsch, diesen wichtigen Faktor nicht nur zu überwachen, sondern wenn irgend möglich auch zu messen.
Die Prüfung mit Hilfe einer Lupe oder besser unter einem binokularem Lupenmikroskop bei etwa 20- bis 40facher Vergrösserung vermittelt zwar einen guten Einblick in die Struktur der gestrahlten Oberfläche, Die so ermittelten Werte geben einen guten Einblick in das Fortschreiten des Entzunderungsprozesses und sind somit für die Überwachung der Fabrikation wertvoll. Dem gegenüber stellt die Reinheit der Oberfläche einen wesentlich anderen, unabhängigen Begriff dar. Durch den Überdeckungsgrad wird der Flächenanteil der von den Strahlmittelkörnem getroffenen Stellen angegeben. Nach dem Aufprall eines Strahlmittelkorns bleiben jedoch vielfach an der Trefferstelle immer noch beachtliche Reste von Zunder oder anderen Verunreinigungen zurück, die erst durch nachfolgende Treffer abgetragen werden können. Diese Erscheinung tritt von Fall zu Fall verschieden stark auf und ist bei Verwendung sphärischer Strahlmittelsorten wesentlich ausgeprägter als beim Strahlen mit kantigen Media. Als Beispiel sei die Entzunderung warmgewalzter Bänder aus Stahl mit niedrigem C-Gehalt erwähnt. Die Oberfläche dieser Bänder ist mit einer mehr oder weniger gleichmässig ausgebildeten Zunderschicht bedeckt. Gestrahlt wird mit Stahlschrot. Unter der Wirkung der aufschlagenden kugelförmigen Strahlmittelkörner platzt der Zunder ab, wird jedoch hierbei nicht restlos beseitigt. Aus der Abbildung 220 ist bei 600facher Vergrös¬serung gut ersichtlich, dass im Kalottengrund Zunderreste zurückgeblieben sind, die wie kalt verschweisst am Grundmetall haften.



Abb. 1. Durch Strahlen mit kugeligem Stahlschrot entzun¬derte Oberfläche von Warmband mit niedrigem C-Gehalt. Vergrösserung 600fach. Im Kalottengrund sind deutlich zurückgebliebene Zunderreste zu sehen, die wie kalt verschweisst am Grundmetall haften


Mit dem Begriff der Reinheit einer gestrahlten Oberfläche soll im Grunde genommen der Anteil in Prozenten angegeben werden, bis zu welchem Rückstände von Zunder und Reste anderer Verunreinigungen bereits entfernt worden sind. Bei den meisten Verfahren muss ein bestimmter Mindestrein­heitsgrad unbedingt erreicht werden, um ein befriedigendes Produkt zu gewährleisten. Aus all diesen Gründen kann im allgemeinen dort, wo die Reinheit der gestrahlten Oberfläche messtechnisch überwacht wird, darauf verzichtet werden, auch die Flächenüberdeckung laufend zu überwachen.

Von der groben, nur ein behelfsmässiges Hilfsmittel darstel­lenden Kupfersulfat-Probe abgesehen, verfügt man heute nur über zwei Verfahren zur messtechnischen Kontrolle der gestrahlten Stahl-Oberfläche auf Reinheit. Beide verwenden zwar das Prinzip der heute von der Fotoapparate-Industrie auf einen hohen Stand der Zuverlässigkeit gebrachten Methode der Lichtmessung mittels Fotozellen, unterscheiden sich jedoch im übrigen grundlegend voneinander, entsprechend der vollständig anders gestellten Zweckbestimmung der Rein­heitsmessung. Beide Messverfahren sind erst vor wenigen Jahren entwickelt worden und stehen deshalb seit verhält­nismässig kurzer Zeit zur Verfügung.


Die Kupfersulfat-Probe

Bringt man mit Hilfe einer Pipette einen Tropfen einer etwa 3- bis 5prozentigen Kupfersulfat-Lösung auf eine frisch gestrahlte Stahloberfläche auf, so bildet sich innert kürzester Zeit an den von Zunder freien Stellen ein dünner, hell glänzender Niederschlag von Kupfermetall, währenddem überall dort, wo noch Zunderreste vorhanden sind, schwarze Flecken deutlich hervortreten. Es ist darauf zu achten, dass die Flüssigkeit nur in einer dünnen Schicht aufgetragen wird. Vielfach wird empfohlen, eine Lösung zu verwenden, die durch Ansetzen von 4% Kupfersulfat in 1%tiger Schwefelsäure unter Zugabe einer kleinen Quantität eines geeigneten Netzmittels angefertigt worden ist. 106) Es handelt sich somit um eine Methode, die an Ort und Stelle rasch eine grobe Schätzung der erreichten Flächenüberdeckung vorzunehmen gestattet, keineswegs jedoch um eine Prüfung auf Reinheit. Auch was den Überdeckungsgrad anbelangt, so lassen sich die Ergebnisse in keiner Weise mit denjenigen einer Untersuchung im binokularen Lupenmikroskop vergleichen. Der Kupfer­sulfat-Probe haften überdies zwei grundsätzliche Nachteile an, die die Schätzung sehr erschweren und beeinträchtigen. Die Zunderreste müssen bereits eine gewisse Grösse haben, um als deutliche schwarze Flecken hervorzutreten. Unterhalb von etwa 0,5 mm lassen sich diese nur noch sehr schwer oder gar nicht mehr wahrnehmen. Für die Schätzung steht anderseits nur eine kurze Zeit zur Verfügung, denn die sich bildende hauch-dünne Kupferschicht oxydiert an der Luft sehr rasch, so dass der Unterschied zu den schwarzen Zunderflecken bald kaum noch zu sehen ist.


Das Messverfahren mit dem «Scalometer» der Wheela­brator Corporation.

In der Stahlindustrie, aber auch auf verwandten Arbeits­gebieten werden warmgewalzte Breit-, Mittel- und Schmal­bänder in grossem Ausmasse durch Strahlen entzundert. Die Anforderungen sind zwar je nach Art der Weiterverarbeitung verschieden. Im allgemeinen wird nicht nur ein hoher Ent­zunderungsgrad, sondern auch eine möglichst saubere Oberfläche verlangt. Besonders hohe Ansprüche werden in dieser Hinsicht für das nachfolgende Kaltwalzen der Bänder gestellt. Zur Überwachung der Fabrikation benötigt man in allen diesen Fällen eine Messmethode, die es gestattet, die nach dem Strahlen auf der Oberfläche noch zurückgeblie­benen letzten Zunderreste, Fremdkörperteilchen und Ver­unreinigungen zu erfassen. Das Verfahren muss somit vor allem bei hohen Reinheitsgraden zuverlässig und genau arbeiten. Zur Lösung dieser Aufgabe wurde von der Wheelabrator Corporation in Mishawaka (USA) die «Scalometer»-Messmethode entwickelt, die in vier aufeinander folgenden Stufen wie folgt durchgeführt wird:
  1. An der Messfläche von 1 >C 2" Grösse werden mit Hilfe eines standardisierten Klebstreifens aus Spezialmaterial etwa noch vorhandene lose Fremdkörperteilchen von der Stahloberfläche abgezogen, währenddem alle beim Strahlen nicht entfernten Zunderreste zurückbleiben.
     
  2. In einem zweiten Schritt werden auf der Messfläche alle beim Strahlen nicht entfernten Zunderreste mit einer genau kalibrierten, auf der Basis von Salzsäure angefertigten Lösung losgelöst. Hierzu dient eine eigens für diesen Zweck entwickelte Apparatur, währenddem die Dauer der Einwirkung der Säure zwei Minuten beträgt.
     
  3. Um diese mit der Säurebehandlung losgelösten Zunderreste abzuziehen, wird als dritter Schritt mit Hilfe eines Rollers ein neuer, aus einem anderen durchsichtigen Material angefertigter Klebestreifen fest auf die Messfläche auf­gewalzt. Nach dem Abziehen wird dieser Klebestreifen auf einen ebenfalls durchsichtigen Objektträger aus Plastik­material montiert, auf dem nunmehr aller mit dem Strahlverfahren nicht entfernter, von der untersuchten Stelle der Stahloberfläche stammender Zunder festgehalten ist.
     
  4. Nun folgt das eigentliche Messverfahren, wofür das Prinzip der Lichtmessung mittels Fotozelle angewendet wird. Die Apparatur muss zunächst geeicht werden. Zu diesem Zwecke führt man einen noch unbenützten und einwandfrei gesäuberten Objektträgerin den «Scalometer» ein und stellt das Anzeigeinstrument auf den Wert 1000. Die als Licht­quelle dienende, in den Apparat eingebaute Glühlampe wird über eine stabilisierte Stromversorgung gespeist, um eine stets gleichmässige Leuchtkraft zu erhalten. Wird nun der zu untersuchende Objektträger in den «Scalometer» eingeführt, so bewirken die daran haftenden Zunderteile eine Verminderung der von der Fotozelle gemessenen Lichtintensität und einen entsprechenden Rückgang des vom Messinstrument angezeigten Wertes. An Hand einer mit dem «Scalometer» mitgelieferten Tabelle kann aus dem abgelesenen Wert die Reinheit der Oberfläche in Prozenten entnommen werden.

Das Verfahren ist zwar im Gebrauch etwas umständlich, gibt jedoch für die Überwachung der Fabrikation genügend genaue Resultate. Dies setzt voraus, dass standardisierte Originalzu­behörteile und -säurelösung verwendet werden. Anderseits ist aber das Anwendungsgebiet dieses Messverfahrens auf die Stahlindustrie und verwandte Gebiete beschränkt. Eine ganze Anzahl von Stahlwerken haben solche Apparate im Gebrauch. Trotzdem scheinen sich die Absatzmöglichkeiten als nicht genügend erwiesen zu haben, denn die serienmässige Her­stellung ist vor kurzem aufgegeben worden.


Die Prüfung auf Reinheit durch Messung des Refle­xionsverhaltens der gestrahlten Oberfläche gemäss dem von der Britischen «Paint Research Association» entwickelten Verfah­ren


Die Vorstudien und Entwicklungsarbeiten zu dieser neuartigen Methode wurden von der Forschungsabteilung des Verbandes der Lack- und Farbenfabrikanten von Grossbritannienl°7) durchgeführt, währenddem die Apparate heute serienmässig von einem auf diesem Gebiete spezialisierten Werk hergestellt und unter dem Namen «Surclean Model 153» vertrieben werden.107) Das Verfahren wurde zwar für Messungen an Stahloberflächen ausgelegt, bestreicht jedoch ein wesentlich breiteres Anwendungsgebiet als der «Scalometer», denn das Reflexionsverhalten wird nicht nur durch Zunderreste beein­flusst, sondern auch durch Rückstände von Schutzanstrichen, Rost, Farben, Lacken und andere Fremdkörper.

Einen Einblick in die Arbeitsweise und den Aufbau des Messsystems vermittelt das Blockschema Abbildung 2, währenddem der Apparat selber sowie der zugehörige, von Hand geführte Taster-Kopf in Abbildung 3 zu sehen sind.

Das Gerät ist mit einer eingebauten Batterie ausgerüstet und kann, da von der Netzstromversorgung unabhängig, auch auf Baustellen Verwendung finden. Es handelt sich im Grunde genommen um ein der besonderen Problemstellung ange­passtes, tragbares Reflexions-Messgerät. Das optische System und die Fotozelle sind in einem eigenen, kleinen Gehäuse untergebracht, mit dem die zu untersuchenden Flächen abgetastet werden.


Abb. 2. Untersuchung gestrahlter Oberflächen auf Reinheit durch Messung des Reflexions- Verhaltens mit Hilfe einer Fotozelle. Arbeitsprinzip des Apparates «Surclean Model 153» der Elcometer Instruments Ltd.
A = Stromversorgungsteil mit Netzanschlussgerät und eingebauten Trockenbatterien, ausgelegt für die Abgabe einer stabilisierten, konstanten Spannung.
L = Glühlampe als Beleuchtungsquelle. F = Blau-Filter.
0 = Linsensystem.
M = Milliamp&emeter mit Skalenendwert 500 p24.
P = Fotozelle.
V = Verstärker und messtechnischer Teil der Fotometer-A usrüstung.
U = auf Reinheit zu untersuchende, gestrahlte Stahl-Oberfläche.
1 = einfallendes Lichtstrahlenbündel.
2 = von der gestrahlten Oberfläche reflektierte, auf die Foto¬zelle fallende Lichtstrahlen.


Das von der eingebauten Glühlampe ausgehende Licht wird zunächst durch ein System von Blaufiltern geführt, einerseits um die Helligkeit genau abzustimmen, anderseits aber auch um bei der Lichtmessung den Einfluss der noch auf der Oberfläche eventuell vorhandenen Rostpartikel, die ja vor allem rot oder orange gefärbt sind, voll zur Geltung zu bringen. Sodann folgt ein Linsensystem, um die Messfläche gleichmässig auszuleuchten. Wegen der Rauhigkeit der ge­strahlten Oberflächen wird das einfallende Licht diffus re­flektiert. Auf dem untersuchten Flächenausschnitt zurückge­bliebene Zunderreste, Rückstände von Rost oder Farbe und andere Verunreinigungen haben hierbei eine entsprechende Verminderung der reflektierten Lichtmenge zur Folge. Die von der fotoelektrischen Zelle gemessene Lichtintensität wird durch ein grosses, im eigentlichen Apparategehäuse einge­bautes Milliampremeter mit einem Skalenendwert von 500 mA angezeigt. Um Messfehler durch Lichtverluste zu ver­meiden, muss der Taster stets vollkommen flach auf der zu untersuchenden Fläche aufliegen. Das Instrument eignet sich somit nur für die Prüfung flacher Oberflächen.


Abb. 3. Ausrüstung «Surclean Model 153» zur Prüfung gestrahlter Oberflächen auf Reinheit gemäss dem von der britischen «Paint Research Association» entwickelten Messverfahren. Schema siehe Abbildung 2.
M = Gehäuse mit Traggriff, eingebauter Messapparatur und Milliamperemeter.
T = Tasterkopf mit eingebauter Glühlampe, optischem System und Fotozelle.
V = Verbindungskabel zwischen Tasterkopf und Messausrüstung.
E = Eichplatte (zur Apparatur gehören je eine hellgraue und eine tiefschwarze Eichplatte aus keramischem Material). Werkfoto: Elcometer Instruments Ltd., Droylsden, Manchester


Der Apparat muss jeweilen vor Gebrauch geeicht werden. Zu diesem Zweck werden mit der Ausrüstung auch zwei Platten aus keramischem Material mitgeliefert, die eine von tief­schwarzer, die andere von hellgrauer Farbe. Zunächst wird der Taster auf die schwarze Platte gestellt und der Zeiger des Milliampremeters durch Verdrehen des Abstimmungs­knopfes auf Null gestellt. Die hellgraue Platte dient hingegen zum Einregulieren der Empfindlichkeit des Instruments, indem bei dieser Messung das Milliamiceemeter den Wert von 400 mA anzeigen soll. Zum Schluss wird die Null-Anzeige auf der schwarzen Platte nochmals überprüft. Die graue Kera­mikplatte ist im Farbton eher etwas heller als eine durch­schnittlich gut gestrahlte Stahlfläche. Der Anzeigewert von 400 mA wird deshalb im allgemeinen kaum erreicht werden. Es wird empfohlen, auch an sehr gleichmässig und maschinell gestrahlten Flächen Messungen an mindestens fünf ver­schiedenen Stellen auszuführen und daraus den Mittelwert zu errechnen.

Soll die Reinheit einer gestrahlten Oberfläche ausgemessen werden, um die Erfüllung der in den Britischen Normen BS 4232 spezifizierten Qualitätsvorschriften zu überprüfen, so wird folgendes Vorgehen ange­geben:

Zunächst muss der Maximalwert des Reflexionsvermögens für die betreffende Stahlsorte und das verwendete Strahlmittel ermittelt werden. Hierzu wird eine Musterfläche dieses Materials unter Verwendung derselben Strahlausrüstung sowie der gleichen Strahlmittelsorte und Körnung solange behandelt, bis mehrere aufeinanderfolgende Messungen auch nach einer weiteren Überstrahlung von einer Minute Dauer keine weitere Zunahme des am Ampremeter abgelesenen Wertes mehr ergeben. Die so ermittelte Grösse wird mit Rm bezeichnet. Bei der hierauf durchgeführten Untersuchung der gestrahlten Flächen sollen für die verschiedenen Spezifikationen nach BS 4232 folgende Mindestergebnisse nachgewiesen werden:

Erste Qualität: Mittelwert aus allen Messungen soll mindestens 95% von [latex]R_{max}[/latex] betragen, wobei jedoch höchstens eine aus zwanzig Ablesungen einen Wert von weniger als 90% von [latex]R_{max}[/latex] ergeben darf.

Zweite Qualität: Mittelwert alles Messungen mindestens 90% von [latex]R_{max}[/latex] höchstens eine aus zehn Ablesungen mit einem Wert von weniger als 80% [latex]R_{max}[/latex]

Dritte Qualität: Mittelwert aller Messungen mindestens 75% von [latex]R_{max}[/latex] höchstens eine aus fünf Ablesungen mit einem Wert von weniger als 50% von [latex]R_{max}[/latex]

Ähnlich lautende Empfehlungen wurden auch für die von der amerikanischen SSPC herausgegebenen Spezifikationen ausgearbeitet. An gleicher Stelle wird auch erwähnt, dass für die neue Güteklasse 2.5 nach Schwedischer Norm beim Messen der Oberflächenreinheit die gleichen Mindestergebnisse wie für die zweite Qualität nach BS 4232 nachzuweisen sind109). Die Untersuchungen haben auch aufgezeigt, dass der Unterschied zwischen den Güteklassen 2.5 und 3 gemäss Schwedischer Norm wesentlich grösser ist, als allgemein angenommen wird, und im allgemeinen eine Verdoppelung der Strahlzeit notwendig macht, da für die Güteklasse 3 bei den Messungen eine Reinheit von 100% erforderlich ist.





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