Ankermessung: Außendiensthandbuch für Prüfer

Das Rauheitsprofil – die mikroskopische Rauheit einer vorbereiteten Stahloberfläche – ist einer der kritischsten Parameter bei der Applikation von Korrosionsschutzbeschichtungen. Ist das Profil zu gering, fehlt der Beschichtung ausreichende mechanische Haftung. Ist es zu hoch, können Spitzen durch dünne Beschichtungsfilme hindurchragen und Ausgangspunkte für Korrosion bilden. Trotz seiner Bedeutung wird das Rauheitsprofil bei Instandhaltungsbeschichtungen häufig zu selten gemessen – und wenn doch, werden oft die falsche Methode oder die falsche Tape-Sorte verwendet.

Dieser Leitfaden erklärt, was das Rauheitsprofil ist, warum es wichtig ist, welche Feldmessverfahren ASTM D4417 vorsieht und wie Sie eine normgerechte Messung vor Ort mit Replica-Tape durchführen – das Verfahren, das die meisten Beschichtungsspezifikationen für Industrie und Schiffbau vorschreiben.

Was ist das Rauheitsprofil?

Das Rauheitsprofil (auch Oberflächenprofil oder Oberflächenrauheit genannt) ist die mikroskopische Spitze-Tal-Höhe einer vorbereiteten Stahloberfläche. Nach dem Strahlen mit Strahlmittel oder einer schlagenden Bearbeitung mit Maschinenwerkzeugen ist die Stahloberfläche nicht eben – sie weist eine Textur aus Spitzen (Hochpunkten) und Tälern (Tiefpunkten) auf, die durch den Aufprall des Strahlmittels oder Werkzeugs entsteht. Diese Textur sorgt für die mechanische Haftung der Beschichtung: Die flüssige Grundierung fließt in die Täler und verklammert sich beim Aushärten um die Spitzen.

Beschichtungsspezifikationen geben das Rauheitsprofil als Spitze-Tal-Höhe in Mikrometern (µm) oder mils (1 mil = 25,4 µm) an. Wird es mit einem Tastschnittgerät gemessen, wird es als Rz (gemittelte Rautiefe über mehrere Einzelmessstrecken) oder Rt angegeben; MontiPower® gibt seine Ergebnisse als Rz an. Davon zu unterscheiden ist Ra (Mittenrauwert), der für technische Oberflächengüten verwendet wird, aber nicht der Parameter ist, der im Korrosionsschutz spezifiziert wird.

Warum das Rauheitsprofil für die Leistung der Beschichtung entscheidend ist

Das technische Datenblatt (TDB) eines Hochleistungs-Beschichtungssystems legt in der Regel ein minimales und ein maximales Rauheitsprofil fest. Beide Grenzen sind wichtig:

• Unterhalb des Mindestprofils: Unzureichende mechanische Verankerung für die Haftung. Die Beschichtung besteht anfangs womöglich Abreißversuche, versagt aber im Betrieb durch Enthaftung bei Temperaturwechseln, Schlagbeanspruchung oder chemischer Belastung. Zinkstaubgrundierungen und Dickschicht-Epoxide reagieren besonders empfindlich auf ein zu geringes Profil.
• Oberhalb des Maximalprofils: Die Spitzenhöhen können die Trockenschichtdicke der ersten Schicht übersteigen, sodass freiliegende Stahlspitzen rosten und die Beschichtung unterwandern. Zudem steigt die Schichtdicke, die zur Abdeckung der Spitzen nötig ist – und damit Materialverbrauch und Applikationszeit.

Viele Beschichtungssysteme für Industrie und Schiffbau spezifizieren ein Profil im Bereich von etwa 50–100 µm, maßgeblich ist jedoch das TDB des jeweils applizierten Produkts. Der Bristle Blaster® erzeugt in dokumentierten Tests auf Standardstahl ein Rauheitsprofil von 65–85 µm Rz und liegt damit in diesem üblichen Fenster; die Ergebnisse variieren je nach Stahlsorte, Rostgrad, Band und Technik, daher wird das Profil wie bei jeder anderen vorbereiteten Oberfläche vor Ort überprüft.

ASTM D4417: die Feldmessverfahren

ASTM D4417 – Standard Test Methods for Field Measurement of Surface Profile of Blast Cleaned Steel (aktuelle Ausgabe D4417-21) – definiert die Verfahren zur Messung des Rauheitsprofils im Feld, in der Werkstatt und im Labor. Die Methoden A, B und C setzen Prüfer im Alltag ein; die Ausgabe 2021 hat zudem das Tastschnittverfahren der zurückgezogenen ASTM D7127 als Methode D übernommen, die Rt und die Spitzenzahl ausgeben kann. Jede Methode hat eigene Einsatzbereiche, Genauigkeiten und Geräteanforderungen.

Methode A – Vergleichsmuster (z. B. Keane-Tator Surface Comparator)

Ein physisches Vergleichsmuster – eine Scheibe mit Referenzsegmenten definierter Profilwerte – wird mit einer Lupe neben der vorbereiteten Oberfläche betrachtet. Der Prüfer bestimmt, welches Referenzsegment der Oberflächentextur am nächsten kommt.

Methode A liefert eine visuelle Schätzung, keine direkte Messung, und die Ergebnisse hängen vom Prüfer sowie von der Wahl der richtigen Scheibe für die Strahlmittelart (Kugel, kantiges Korn oder Sand) ab. Sie eignet sich für schnelle Kontrollen; wo dokumentierte Zahlenwerte gefordert sind, schreiben Spezifikationen meist Methode B oder C vor.

Methode B – Tiefenmikrometer

Ein Tiefenmikrometer mit 60°-Kegelspitze wird auf die Oberfläche gesetzt: Die flache Basis liegt auf den Spitzen auf, während die Messspitze in ein Tal fällt, und die Tiefe wird abgelesen. Nach der aktuellen Norm werden mindestens zehn Messwerte je Fläche aufgenommen und der Maximalwert angegeben.

Methode B ist ein anerkanntes Feldverfahren und mit digitalen Messgeräten schnell, die Messwerte reagieren jedoch empfindlich auf die Position der Spitze, und die Basis benötigt eine einigermaßen ebene Fläche, was auf gekrümmtem oder unregelmäßigem Stahl schwierig sein kann. ASTM weist darauf hin, dass das Verfahren nach Methode B für ebene Oberflächen entwickelt wurde.

Methode C – Replica-Tape (Testex Press-O-Film®)

Das am weitesten verbreitete Feldverfahren. Ein Stück Replica-Tape – eine komprimierbare Schaumschicht auf einem nicht komprimierbaren, 50 µm (2 mil) dicken Polyesterträger – wird auf die vorbereitete Oberfläche angerieben. Der Schaum nimmt einen Abdruck der Spitzen und Täler auf. Anschließend wird das Tape mit einem Federbügel-Mikrometer gemessen und der 2-mil-Träger abgezogen, um die Spitze-Tal-Höhe zu erhalten.

Methode C liefert einen Messwert der Spitze-Tal-Höhe, erzeugt einen physischen Nachweis, der dem Prüfbericht beigefügt werden kann, und ist das Verfahren, das die meisten Beschichtungshersteller und Projektspezifikationen für die Messung des Rauheitsprofils nennen. Nach der aktuellen ASTM D4417 werden mindestens zwei Messwerte je Fläche aufgenommen und gemittelt.

So führen Sie ASTM D4417 Methode C durch – Schritt für Schritt

Erforderliche Ausrüstung

• Testex Press-O-Film® Replica-Tape in der richtigen Sorte (siehe unten)
• Kalibriertes Federbügel-Mikrometer mit flachen Messflächen (z. B. Testex-Messuhr-Mikrometer oder gleichwertiges Digitalmessgerät)
• Anreibwerkzeug (im Tape-Set enthalten)
• Eine saubere, trockene, staubfreie Oberfläche

Die richtige Tape-Sorte wählen

Die Bereiche entsprechen den Angaben des Tape-Herstellers und seiner Händler; prüfen Sie den auf dem verwendeten Tape aufgedruckten Bereich. Wenn Sie unsicher sind, welche Sorte zutrifft, beginnen Sie mit X-Coarse. Liegt der Messwert nahe am oberen Ende von X-Coarse, messen Sie mit X-Coarse Plus nach; liegt er nahe am unteren Ende, messen Sie mit Coarse nach. Geben Sie niemals einen Messwert an, der außerhalb des Bereichs der verwendeten Sorte liegt.

Messablauf

1. Mikrometer prüfen. Schließen Sie die Messflächen und bestätigen Sie die Nullanzeige (oder notieren Sie den Versatz, falls das Gerät nicht exakt auf null steht). Prüfen Sie, falls vorhanden, mit einer Referenzfolie.
2. Trägerdicke beachten. Der nicht komprimierbare Polyesterträger ist bei allen Sorten 50 µm (2 mil) dick. Sie ziehen ihn vom Gesamtmesswert ab; manche Messgeräte sind so eingestellt, dass sie dies automatisch tun.
3. Tape auf die Oberfläche aufbringen. Ziehen Sie das Schutzpapier ab und drücken Sie das Tape auf eine saubere, staubfreie Stelle der vorbereiteten Oberfläche, wobei das Schaumfenster mittig auf der zu messenden Stelle liegt.
4. Tape anreiben. Reiben Sie mit dem Anreibwerkzeug fest und gleichmäßig über das Schaumfenster, bis es die Oberflächentextur gleichmäßig aufgenommen hat, und befolgen Sie dabei die Anweisungen des Tape-Herstellers. Zu schwaches Anreiben ergibt zu niedrige Messwerte.
5. Tape abnehmen. Ziehen Sie das Tape vorsichtig von der Oberfläche ab.
6. Gesamtdicke messen. Legen Sie das Schaumfenster zwischen die flachen Messflächen des Mikrometers und lesen Sie die Gesamtdicke in der Mitte der angeriebenen Fläche ab, nicht an den Rändern.
7. Rauheitsprofil berechnen. Ziehen Sie den 50 µm (2 mil) dicken Träger von der Gesamtdicke ab. Das Ergebnis ist das Spitze-Tal-Profil.
8. Wiederholen und dokumentieren. Nehmen Sie, wie von ASTM D4417 gefordert, mindestens zwei Messwerte je Fläche auf und mitteln Sie diese; messen Sie so viele Flächen, wie die Spezifikation vorschreibt. Vergleichen Sie die Ergebnisse mit Minimum und Maximum aus dem TDB der Beschichtung.

Rechenbeispiel

Gemessene Gesamtdicke des Tapes: 121 µm. Träger: 50,8 µm (2 mil). Rauheitsprofil: 121 − 50,8 ≈ 70 µm (2,8 mil). Das liegt innerhalb eines Fensters von 50–100 µm, wie es für viele Hochleistungs-Epoxidsysteme typisch ist; maßgeblich ist das TDB des Produkts.

ISO 8503 – internationale Normen für das Oberflächenprofil

Die ISO-Normen zur Oberflächenrauheit von gestrahltem Stahl sind als Normenreihe ISO 8503 veröffentlicht:

• ISO 8503-1: Anforderungen und Begriffe für ISO-Rauheitsvergleichsmuster
• ISO 8503-2: Verfahren zur Prüfung des Oberflächenprofils mit einem Vergleichsmuster (im Prinzip vergleichbar mit ASTM D4417 Methode A)
• ISO 8503-3: Kalibrierung von Vergleichsmustern und Bestimmung des Oberflächenprofils – Verfahren mit Fokussiermikroskop
• ISO 8503-4: Kalibrierung von Vergleichsmustern und Bestimmung des Oberflächenprofils – Tastschnittverfahren
• ISO 8503-5: Replica-Tape-Verfahren zur Bestimmung des Oberflächenprofils, für Profile von 20–115 µm (im Prinzip vergleichbar mit ASTM D4417 Methode C)

Für Feldarbeiten bei den meisten Industrie- und Offshore-Projekten verwenden ASTM D4417 Methode C und ISO 8503-5 gleichermaßen Replica-Tape und dienen demselben Zweck. Anzahl der Messwerte und Regeln für die Angabe der Ergebnisse unterscheiden sich im Detail; befolgen Sie daher die Norm, die in der Spezifikation genannt ist.

Häufige Messfehler

Falsche Tape-Sorte

Der häufigste Fehler. Jede Sorte ist nur innerhalb ihres Bereichs gültig: Ein Messwert am Ende des Bereichs oder darüber hinaus ist nicht zuverlässig, und ein hohes Profil, das mit Coarse-Tape gemessen wird, fällt zu niedrig aus, weil der Schaum nicht die volle Taltiefe abbilden kann. Wählen Sie stets die für das erwartete Profil passende Tape-Sorte und bestätigen Sie Grenzwerte mit der benachbarten Sorte.

Unzureichendes Anreiben

Zu schwach angeriebenes Tape passt sich nicht vollständig an das Oberflächenprofil an und ergibt einen zu niedrigen Messwert. Üben Sie über das gesamte Schaumfenster festen, gleichmäßigen Druck aus und befolgen Sie die Anweisungen des Tape-Herstellers.

Messung über Staub oder Schmutz

Das Tape muss sauberen Stahl berühren. Staub, loses Strahlmittel oder Schmutz zwischen Tape und Stahl verhindern den vollständigen Kontakt und führen zu ungenauen Messwerten. Reinigen Sie die Stelle vor dem Aufbringen des Tapes mit sauberer, trockener, ölfreier Druckluft oder einer Bürste.

Messung am Tape-Rand

Nahe den Rändern des angeriebenen Fensters ist der Schaum möglicherweise weniger gleichmäßig komprimiert. Messen Sie immer in der Mitte des Abdrucks.

Mikrometer nicht genullt oder geprüft

Ein falsch kalibriertes Mikrometer verursacht einen systematischen Fehler in jedem Messwert. Nullen Sie das Gerät vor jeder Messreihe und prüfen Sie es gegen eine Referenz. Die Geräte sollten über ein aktuelles Kalibrierzertifikat verfügen. Einen breiteren Überblick über Messgeräte finden Sie unter Messgeräte für das Oberflächenprofil; wo Profilkontrollen im Prüfablauf stehen, zeigen die 11 Haltepunkte der Beschichtungsprüfung.

Das Rauheitsprofil des Bristle Blaster® im Vergleich zu gestrahltem Stahl

Dokumentierte Tests des Bristle Blaster® auf Standardstahl zeigen Rauheitsprofile im Bereich von 65–85 µm Rz (in einigen Tests bis zu 120 µm Rz) bei einer Reinheit vergleichbar mit ISO 8501-1 Sa 2½ / SSPC-SP 10. Da die Oberfläche eine kraterförmige, strahlähnliche Textur aufweist, wird sie genau wie eine gestrahlte Oberfläche mit Replica-Tape gemessen. Die folgende Tabelle stellt dieses Ergebnis typischen Werten anderer Verfahren gegenüber. Die Werte für andere Verfahren sind nur Richtwerte: Das tatsächliche Profil hängt von Korngröße und Härte des Strahlmittels, Druck, Strahlabstand und Stahl ab.

Die Messdaten der Oberfläche hinter den Bristle Blaster®-Werten finden Sie in der 3D-Analyse des Oberflächenprofils nach dem Bristle Blasting.

Das Wichtigste in Kürze

• Das Rauheitsprofil ist die Spitze-Tal-Höhe der vorbereiteten Oberfläche, angegeben in µm oder mils. Es muss innerhalb des im TDB der Beschichtung festgelegten Minimum-Maximum-Bereichs liegen.
• ASTM D4417 Methode C – Replica-Tape, gemessen mit einem Federbügel-Mikrometer – ist das am häufigsten spezifizierte Feldverfahren; ISO 8503-5 ist das ISO-Verfahren mit Replica-Tape.
• Wählen Sie die Tape-Sorte passend zum erwarteten Profil. X-Coarse (38–115 µm / 1,5–4,5 mil) eignet sich für die meisten gestrahlten und mit dem Bristle Blaster® vorbereiteten Oberflächen; verwenden Sie X-Coarse Plus oberhalb und Coarse unterhalb dieses Bereichs.
• Methode C: mindestens zwei Messwerte je Fläche, gemittelt. Methode B: mindestens zehn Messwerte je Fläche, Maximalwert angeben. Dokumentieren Sie jeden Messwert.
• Wo die Spezifikation ein Profil fordert, gehört seine Überprüfung zu einer vollständigen Qualitätskontrolle – das Erreichen des visuellen Reinheitsgrads allein belegt das Profil nicht.
• Zu den häufigen Fehlern gehören falsche Tape-Sorte, unzureichendes Anreiben, Verunreinigung durch Staub und ungeprüfte Messgeräte.

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Häufig gestellte Fragen

Wie wird das Rauheitsprofil vor Ort am häufigsten gemessen?

Nach ASTM D4417 Methode C mit Replica-Tape. Der komprimierbare Schaum wird auf die vorbereitete Oberfläche angerieben, das Tape mit einem Federbügel-Mikrometer gemessen und der 50 µm (2 mil) dicke Träger abgezogen. Je Fläche werden zwei Messwerte gemittelt. ISO 8503-5 beschreibt dasselbe Replica-Tape-Prinzip für internationale Spezifikationen.

Wie viele Messwerte des Rauheitsprofils brauche ich je Fläche?

Nach der aktuellen ASTM D4417 erfordert Methode C mindestens zwei Replica-Tape-Messwerte je Fläche, die zu einem Messergebnis gemittelt werden. Methode B (Tiefenmikrometer) erfordert mindestens zehn Messwerte je Fläche und gibt den Maximalwert an. Viele Spezifikationen legen zusätzlich eine Prüfhäufigkeit fest, zum Beispiel mehrere Flächen je Oberfläche oder je Schicht – prüfen Sie daher die Projektunterlagen.

Welche Replica-Tape-Sorte sollte ich verwenden?

X-Coarse (etwa 38–115 µm, 1,5–4,5 mil) eignet sich für die meisten gestrahlten und mit Bristle Blasting bearbeiteten Stähle. Verwenden Sie Coarse für niedrigere Profile, Coarse Minus für sehr feine Profile und X-Coarse Plus für Profile über etwa 100 µm. Messwerte nahe dem Ende des Bereichs einer Sorte sollten mit der benachbarten Sorte bestätigt werden.

Welches Rauheitsprofil erzeugt der Bristle Blaster®?

Dokumentierte Tests auf Standardstahl zeigen ein Rauheitsprofil von 65–85 µm Rz (2,6–3,3 mil), in einigen Tests bis zu 120 µm Rz, bei einer Reinheit vergleichbar mit Sa 2½. Die Ergebnisse variieren je nach Stahlsorte, Rostgrad, Band und Technik, daher sollte das Profil wie bei jeder gestrahlten Oberfläche mit Replica-Tape überprüft werden.

Ist das Rauheitsprofil dasselbe wie die Rauheit Ra?

Nein. Ra ist die arithmetische mittlere Abweichung des Rauheitsprofils und wird für spanend bearbeitete Oberflächen verwendet. Beschichtungsspezifikationen fordern die Spitze-Tal-Höhe, die Vergleichsmuster, Tiefenmikrometer und Replica-Tape messen. Tastschnittgeräte geben sie als Rz oder Rt an – prüfen Sie daher immer, welchen Parameter das Datenblatt der Beschichtung verwendet.