Erläuterung der Beschichtungshaftung: Warum die Peakhöhe allein keine Aussage über die Haftfestigkeit zulässt

Fragen Sie die meisten Spezifikationen, wie ein Oberflächenprofil beschaffen sein muss, erhalten Sie eine einzige Zahl: die Spitzenhöhe, meist in µm oder mil. Sie ist der am häufigsten gemessene und angegebene Parameter einer gestrahlten oder profilierten Oberfläche, beschreibt für sich allein aber nicht vollständig, wie gut eine Beschichtung haften wird. Dieser Artikel erklärt die beiden maßgeblichen Profilparameter, wie sie gemessen werden und was das für das Erstellen und Prüfen von Spezifikationen zur Oberflächenvorbereitung bedeutet.

Die beiden Kennzahlen, auf die es ankommt

Die Haftung einer Beschichtung lässt sich besser als Funktion zweier Parameter gemeinsam beschreiben: Spitzenhöhe (H) und Spitzendichte (Pd), kurz geschrieben als A = f(H, Pd). Die Spitzenhöhe sagt Ihnen, wie hoch die Verankerungspunkte einer profilierten Oberfläche sind. Die Spitzendichte sagt Ihnen, wie viele davon es pro Flächeneinheit gibt. Eine Oberfläche kann eine große Spitzenhöhe aufweisen und dennoch schlecht haften, wenn diese Spitzen spärlich und unregelmäßig sind; umgekehrt kann ein niedrigeres, dichteres, gleichmäßigeres Profil ein höheres, aber lückenhaftes übertreffen. Profilierte Oberflächen sind von Natur aus unregelmäßig: Spitzenhöhe, Schärfe und Oberfläche lassen sich nicht vollständig mit einem einzigen angegebenen Wert erfassen.

Spitzenhöhe

Die Spitzenhöhe ist der vertikale Abstand vom Grund der Täler bis zur Spitze der Erhebungen. Feldverfahren geben sie auf unterschiedliche Weise an: Replikaband und Tiefenmessgeräte liefern einen Spitze-Tal-Wert, während Tastschnittgeräte Rauheitskenngrößen wie Rt, Rmax oder Rz angeben. Diese hängen zusammen, sind aber nicht identisch; eine Spezifikation sollte daher immer das Verfahren zusammen mit dem Zahlenwert nennen. Weitere Hintergründe zur Profiltiefe finden Sie auf unserer Seite zum Rauheitsprofil.

Spitzendichte

Die Spitzendichte ist die Anzahl der Spitzen innerhalb einer bestimmten Oberfläche, typischerweise angegeben in Spitzen pro mm². Das Pendant beim Tastschnittverfahren, die Spitzenzahl (Rpc), ist die Anzahl der Spitze-Tal-Paare pro Längeneinheit, die über ein schmales Band um die Mittellinie hinausreichen, typischerweise angegeben in Spitzen pro cm. Zwei Oberflächen mit gleicher Spitzenhöhe können je nach Strahlmittel oder Werkzeug, dessen Zustand und der Technik des Bedieners sehr unterschiedliche Spitzendichten aufweisen.

Warum ist die Spitzendichte für die Haftung wichtig?

Eine Beschichtung haftet auf der Oberfläche, die sie benetzt. Mehr Spitzen pro Flächeneinheit bedeuten mehr Oberfläche und mehr Verankerungspunkte für die Beschichtung. Forschungsarbeiten von Roper, Weaver und Brandon (2005) ergaben laut Zusammenfassung von KTA-Tator, dass „a high peak count characteristic of surface profile helps resist undercutting corrosion when the coating system becomes damaged while in service, and provides the coating system with better adhesion to the prepared substrate.“ Neuere Arbeiten von DeFelsko, ebenfalls von KTA zitiert, kamen gleichfalls zu dem Ergebnis, dass eine höhere Spitzendichte die Haftung fördert.

Das frühere ASTM-Tastschnittverfahren zur Spitzenzahl, ASTM D7127, formulierte es in seiner Bedeutungsaussage genauso: Die Optimierung von Spitzenhöhe und Spitzendichte kann die Haftung der Beschichtung verbessern. Diese Norm wurde 2021 zurückgezogen und ihr Inhalt in ASTM D4417 übernommen.

Warum das für Verfasser von Spezifikationen und Prüfer wichtig ist

Zwei Beschichtungen auf zwei Oberflächen mit gleicher mittlerer Spitzenhöhe können sich im Betrieb unterschiedlich verhalten, wenn sich die Spitzendichte unterscheidet. Bei flüssig applizierten Beschichtungen können grundsätzlich sowohl eine Oberfläche mit großer Höhe und geringer Dichte als auch eine mit geringer Höhe und hoher Dichte eine ausreichende Haftung ergeben. Deshalb kombinieren gute Spezifikationen einen Zielprofilbereich aus dem Datenblatt der Beschichtung mit einem definierten, reproduzierbaren Vorbereitungsprozess und einem Messplan, statt sich auf einen einzelnen, isoliert erfassten Höhenwert zu stützen.

• Nennen Sie das Verfahren. Messwerte mit Replikaband, Tiefenmessgerät und Tastschnittgerät sind nicht austauschbar. Legen Sie fest, welches Verfahren gilt und wie Messwerte gemittelt werden.
• Definieren Sie die Probenahme. SSPC-PA 17 beschreibt die Häufigkeit der Messungen und die Abnahmekriterien für die Konformität mit Anforderungen an Profil und Spitzenzahl.
• Nehmen Sie die Spitzendichte auf, wo sie gefordert ist. Wenn der Beschichtungshersteller oder der Anlageneigentümer eine Anforderung an Spitzenzahl oder Spitzendichte festlegt, gehört sie zusammen mit ihrem Messverfahren in die Spezifikation.
• Steuern Sie den Prozess, nicht nur das Ergebnis. Art und Größe des Strahlmittels, sein Zustand im Kreislauf, Werkzeugeinstellungen und Bedienertechnik verändern alle die Spitzendichte. Ein reproduzierbarer Prozess sorgt für weniger Überraschungen bei der Prüfung.

Den vollständigen Aufbau einer Profilklausel finden Sie unter So schreiben Sie eine Spezifikation für die Oberflächenvorbereitung, die Ergebnisse liefert.

Wie werden Spitzenhöhe und Spitzendichte gemessen?

• ASTM D4417 regelt die Feldmessung des Oberflächenprofils, einschließlich Tiefenmessgerät (Methode B) und Replikaband (Methode C), und seit 2021 auch das früher in ASTM D7127 enthaltene Tastschnittverfahren.
• Tastschnittgeräte tasten die Oberfläche ab und geben Höhenkenngrößen zusammen mit der Spitzenzahl (Rpc) pro Längeneinheit an.
• Optisches Replikaband mit einem geeigneten bildbasierten Lesegerät misst Spitzenhöhe und Spitzendichte aus demselben Abdruck und bringt so die Spitzendichte in die routinemäßige Feldprüfung.

Unser Praxisleitfaden zur Messung des Rauheitsprofils erklärt, wie Prüfer Profil und Gleichmäßigkeit vor Ort kontrollieren, und Geräte zur Oberflächenprofilierung vergleicht die Werkzeuge, mit denen ein Profil erzeugt und gemessen wird.

Was das in der Praxis bedeutet

Ein reproduzierbarer mechanischer Prozess statt eines manuell schwankenden ist es, was die Spitzendichte – und nicht nur die Spitzenhöhe – von Durchgang zu Durchgang konstant hält. Diese Konsistenz ist die Grundidee des Controlled Preparation System von MontiPower®. Beim Bristle Blaster® gibt die Beschleunigerleiste jede Borstenspitze frei, sodass sie aufschlägt und zurückprallt und ein dichtes Muster kraterartiger Eindrücke hinterlässt statt einer verschmierten oder polierten Oberfläche. In dokumentierten Versuchen ergibt dies eine mit ISO 8501-1 Sa 2½ / SSPC-SP 10 vergleichbare Reinheit und ein Rauheitsprofil von 65–85 µm Rz auf Standardstahl; die Ergebnisse variieren mit Stahlsorte, Rostgrad, Bandzustand und Technik, daher sollte das Profil dennoch bei jedem Auftrag gemessen werden. Die Struktur hinter diesen Werten wurde in einer optischen 3D-Analyse der mit Bristle Blasting bearbeiteten Oberfläche untersucht.

Wo Reproduzierbarkeit über große Flächen oder Schichten hinweg am wichtigsten ist, geht die Automatisierung noch einen Schritt weiter. Der Prepper® Q10 wird auf die gewünschte Rauheit programmiert, ist darauf ausgelegt, eine gleichmäßige Spitzenhöhe und Spitzendichte zu liefern, und lässt sich in werkseitige Beschichtungsprozesse integrieren.

Häufig gestellte Fragen

Was ist die Spitzendichte beim Oberflächenprofil?

Die Spitzendichte ist die Anzahl der Profilspitzen auf einer bestimmten Fläche der vorbereiteten Oberfläche, meist angegeben in Spitzen pro mm². Die verwandte Tastschnittkenngröße, die Spitzenzahl (Rpc), zählt Spitze-Tal-Paare pro Längeneinheit, meist in Spitzen pro cm. Beide beschreiben, wie eng die Verankerungspunkte beieinanderliegen – was die Spitzenhöhe allein nicht leistet.

Führt ein höheres Oberflächenprofil immer zu besserer Haftung?

Nein. Die Spitzenhöhe muss zur Beschichtung passen: Zu niedrig ergibt zu wenig Verankerung, zu hoch kann dazu führen, dass Spitzen unzureichend bedeckt werden. Bei gegebener Höhe vergrößern mehr Spitzen pro Flächeneinheit die Oberfläche, auf der die Beschichtung haftet. Roper, Weaver und Brandon (2005) stellten fest, dass eine hohe Spitzenzahl hilft, Unterwanderungskorrosion zu widerstehen, und die Haftung verbessert.

Wie misst man die Spitzendichte vor Ort?

Die Spitzenzahl lässt sich mit einem tragbaren Tastschnittgerät messen, früher nach ASTM D7127, die 2021 zurückgezogen und in ASTM D4417 integriert wurde. Die Spitzendichte kann auch mit einem geeigneten Lesegerät von optischem Replikaband abgelesen werden, das Spitzenhöhe und Spitzendichte aus demselben Abdruck ermittelt.

Sollte eine Spezifikation für die Oberflächenvorbereitung die Spitzendichte enthalten?

Wenn der Beschichtungshersteller oder der Anlageneigentümer eine Anforderung an Spitzendichte oder Spitzenzahl vorgibt, ja – zusammen mit Messverfahren, Anzahl der Messwerte und Abnahmekriterien, zum Beispiel nach SSPC-PA 17. Wenn keine vorgegeben ist, legen Sie den Profilhöhenbereich aus dem Datenblatt und einen reproduzierbaren Vorbereitungsprozess fest.