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Titel Merkblatt 829 - Informationsstelle Edelstahl Rostfrei · 2019. 4. 23. · Aussehen eines...

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Merkblatt 985 Reflexionseigenschaften von nichtrostendem Stahl Informationsstelle Edelstahl Rostfrei
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Page 1: Titel Merkblatt 829 - Informationsstelle Edelstahl Rostfrei · 2019. 4. 23. · Aussehen eines keramischen Materi-als annehmen, das keinerlei metalli-schen Glanz aufweist. Das Oxid

Merkblatt 985Reflexionseigenschaften von nichtrostendem Stahl

Informationsstelle Edelstahl Rostfrei

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Die Informations -stelle Edelstahl RostfreiDie Informationsstelle Edelstahl Rost-frei (ISER) ist eine Gemeinschaftsorga-nisation von Unternehmen und Insti-tutionen aus den Bereichen

– Edelstahlherstellung,– Edelstahlhandel und Anarbeitung,– Edelstahlverarbeitung,– Oberflächenveredelung,– Legierungsmittelindustrie,– Marktforschung und Verlage für nichtrostende Stähle.

Die Aufgaben der ISER umfassen diefirmenneutrale Information überEigen schaften und Anwendungen vonEdelstahl Rostfrei. Schwerpunkte derAktivitäten sind

– praxisbezogene, zielgruppenorien-tierte Publikationen,

– Online-Informationsplattform unterwww.edelstahl-rostfrei.de,

– Pressearbeit für Fach- und Publi -kums medien,

– Messebeteiligungen,– Durchführung von Schulungsveran-staltungen,

– Errichtung von Kompetenzzentren„Edelstahl-Rostfrei-Verarbeitung”,

– Informationen über Bezugsmöglich-keiten von Produkten aus EdelstahlRostfrei,

– individuelle Bearbeitung techni-scher Anfragen.

Ein aktuelles Schriftenverzeichnis isteinsehbar unter www.edelstahl-rostfrei.de/Publikationen.

ImpressumMerkblatt 985Reflexionseigenschaften von nichtrostendem Stahl1. Auflage 2018

Herausgeber:Informationsstelle Edelstahl RostfreiPostfach 10 22 0540013 DüsseldorfTelefon: 0211 / 67 07-8 36Telefax: 0211 / 67 07-3 44Internet: www.edelstahl-rostfrei.deE-Mail: [email protected]

Autor:Alenka Kosmač, Žirovnica (SI)

Herausgeber und Autor danken denHerren Dr. Jörn Teipel und Dr. Dirk Wie-mer, Outokumpu Nirosta GmbH (D),sowie Henrik Folkerts, BYK-GardnerGmbH (D), für ihre Beiträge undAnmerkungen sowie die kritischeDurchsicht des Manuskripts. Überset-zung der englischen Sprachfassung:Thomas Pauly, Brüssel (B).

Titelfoto:Aperam Stainless Services & SolutionsPoland

Die in dieser Broschüre enthaltenenInformationen vermitteln Orientie-rungshilfen. Gewähr leistungsansprü-che können hieraus nicht abgeleitetwerden. Nachdrucke bzw. Veröffentli-chungen im Internet, auch auszugs-weise, sind nur mit schriftlicherGenehmigung des Herausgebers undmit deutlicher Quellenangabe ge-stattet.

Inhalt Seite

1 Einleitung 2

2 Spiegelung, Reflexion undGlanz 3

2.1 Wie wird Glanz gemessen? 52.2 Hochglanz 52.3 Matt bis mattglänzend 5

3 Zusammenhang zwischenOberflächenrauheit und Glanz 6

4 Begriffe und Definitionen 7

5 Zusammenfassung 9

6 Literaturverzeichnis 10

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1 EinleitungNichtrostende Stähle werden vor allemwegen ihrer glänzenden und korrosi-onsbeständigen Oberflächen einge-setzt. Sie zu beschreiben, ist allerdingsschwierig, weil die Oberflächeneigen-schaften nicht in Normen definiertsind. Zwar gibt es Normen über nicht -rostenden Stahl, diese können aberhinsichtlich der Oberflächen nur Orien-tierungen vermitteln, weil die Spezifi-kationen sehr breit gefasst sind undsich ausschließlich auf die Verarbei-tungsprozesse beziehen. Ziel heutigerMethoden der Glanzmessung ist es,von subjektiven Beschreibungen zuobjektiven qualitativen Aussagen überden Oberflächenglanz zu gelangen [1].

Die Oberfläche von nichtrostendemStahl wird von einer dünnen, festhaf-tenden, transparenten und sehrbeständigen Passivschicht bedeckt –einem Oxid. Diese Passivschicht ist nurwenige Nanometer dick (etwa 10 nm),unsichtbar und bildet sich spontan,wenn Sauerstoff an der metallisch sau-

beren Oberfläche zur Verfügung steht.Sie reduziert die Korrosionsrate aufvernachlässigbar geringe Werte undermöglicht es der Oberfläche, sich wiedas blanke Metall selbst zu verhaltenund auftreffendes Licht zu reflektieren[2]. Die Passivschicht ist unlöslich mitdem Grundwerkstoff verbunden. Wirdsie, z.B. im Falle von Kratzern, beschä-digt, kommt ihre grundlegende Fähig-keit zum Tragen, sich unter einer Viel-zahl von Umgebungsbedingungenselbst wiederherzustellen [3]. Einesder wichtigsten Merkmale von nicht -ros tendem Stahl ist es zudem, dasssich das Aussehen der Oberfläche mitder Zeit nicht verändert.

Kupfer und Zink, die im Bauwesen oftzum Einsatz kommen, wenn die Glanz-wirkung möglichst gering sein soll, bil-den demgegenüber eine tiefmattePatina, wenn sie der Atmosphäre aus-gesetzt werden. In ihrem Fall ist dieOxidschicht 3-5 µm dick und kann dasAussehen eines keramischen Materi-als annehmen, das keinerlei metalli-schen Glanz aufweist. Das Oxid hat

einen niedrigen Reflexionsgrad undverändert sich im Laufe der Zeit sowiein Abhängigkeit von den Umgebungs-bedingungen. Es kann ausgewaschenwerden und mit dem Ablaufwasserdas Grundwasser verunreinigen.Nicht rostender Stahl ist demgegen-über inert, weswegen er auch in sen-siblen Umweltbereichen eine guteWahl ist [4].

Die Oberflächenausführungen vonhandelsüblichen nichtrostendenStählen sind in verschiedenen Regel-werken definiert. Zu ihnen gehören dieNormen EN 10088-2:2015 und ASTMA480-16b. Beide ähneln sich in derArt, wie sie Oberflächen beschreiben.

In der europäischen Norm EN 10088-2 [5] werden Oberflächen ausschließ-lich anhand des jeweiligen Verarbei-tungsverfahrens beschrieben. Da kei-ne Akzeptanzkriterien genanntwerden, ist es nicht möglich, sie darü-ber hinaus quantitativ zu definieren.Nachstehend beispielhaft einige Ober-flächenbeschreibungen in der Norm:

Kurzzeichen Ausführungsart Oberflächen -beschaffenheit

Anmerkungen

Kaltgewalzt 2B Kaltgewalzt, wärmebehandelt,gebeizt, kalt nachgewalzt

Glatt Häufigste Ausführung, um guteKorrosionsbeständigkeit, Glattheit undEbenheit sicherzustellen. Auch üblicheAusführung für Weiterverarbeitung.

2R Kaltgewalzt, blankgeglüht*

Spiegelnd Glatter und blanker als 2B. Auch üblicheAusführung für Weiterverarbeitung.

Sonderausführungen 1G oder 2G Geschliffen** Siehe Fußnote*** Schleifpulver oder Oberflächenrauheitkann festgelegt werden. GleichgerichteteTextur, nicht sehr reflektierend.

1J oder 2J Gebürstet** odermattpoliert**

Glatter als geschliffen, siehe Fußnote***

Bürstenart oder Polierband oderOberflächenrauheit kann festgelegtwerden. Gleichgerichtete Textur, nicht sehrreflektierend.

1K oder 2K Seidenmattpoliert** Siehe Fußnote*** Über die unter “J” aufgeführten Merkmalehinaus werden weitere Anforderungengestellt, um eine angemesseneKorrosionsbeständigkeit für See- undarchitektonische Außenanwendungen zuerzielen. Quer-Ra < 0,5 µm in saubergeschliffener Ausführung.

1P oder 2P Blankpoliert** Siehe Fußnote*** Mechanisch poliert. Verfahren oderOberflächenrauheit können nähereingegrenzt werden. UngerichteteAusführung, reflektierend mit hohem Gradvon Bildklarheit.

* Kann leicht nachgewalzt sein.** Einseitig, sofern nicht zum Zeitpunkt der Anfrage und des Auftrages anders festgelegt.*** Innerhalb der jeweiligen Kategorie können die Oberflächeneigenschaften variieren. Zwischen Hersteller und Verbraucher sollten spezifischere

Kriterien (z.B. Körnung oder Oberflächenrauheit) vereinbart werden.

Tabelle 1: Herstellungsverfahren und Oberflächenausführungen von Grob- und Feinblechen sowie Bändern gemäß DIN EN 10088-2 [5]

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Auch die amerikanische Norm ASTMA480 umschreibt im Wesentlichen dieOberflächenausführungen [6]. DieOberflächen Nr. 3, 4, 6, 7 und 8gehören zu den geschliffenen, gebürs-teten und/oder polierten Ausführun-gen. Das Ausgangsmaterial für dieHerstellung der glänzenden Ober-flächenausführungen, Nr. 7 und 8, istin der Regel blankgeglüht (BA, brightannealed). Es weist bereits eine glatte,spiegelnd glänzende Oberfläche auf.Diese wird üblicherweise durch Kalt-walzen mit anschließendem Glühenunter Schutzgas erzeugt, das Oxidati-on und Verzunderung während desGlühprozesses verhindert. Das verblei-bende leicht wolkige Erscheinungsbildwird anschließend durch mechani-sches Polieren und Schwabbeln nochso weit verbessert, dass ein wirklicherSpiegelglanz entsteht.

Die Normen benennen Oberflächen-ausführungen stets anhand des Ver-fahrens. Sie definieren die optischenEigenschaften nicht quantitativ, son-dern beschreiben sie lediglich, z.B. als„richtungslose Oberflächenaus-führung, die hochglänzend ist und einSpiegelbild von guter Klarheiterzeugt“. Normen sind zwar aussage-kräftig, können aber leicht darüberhinwegtäuschen, dass zwischen Ober-flächen mit gleicher Bezeichnung vonLieferung zu Lieferung deutlicheAbweichungen bestehen können [7].In der Praxis wird daher häufig emp-fohlen, Muster auszutauschen, weil esschwierig ist, eine Oberfläche eindeu-tig zu charakterisieren. So können sich

z.B. nominell identische spiegelpolier-te Ausführungen von nichtrostendemStahl von Hersteller zu Hersteller deut-lich in Bezug auf Oberflächenmorpho-logie und optische Eigenschaftenunterscheiden, obwohl sie alle denDefinitionen der jeweiligen Normenentsprechen [7]. Für bestimmteAnwendungen oder Projekte kann esdaher erforderlich sein, die optischenEigenschaften deutlicher festzuschrei-ben.

2 Spiegelung,Reflexion undGlanz

Optische Eigenschaften wurden langeZeit im Sinne von spiegelnder Reflexi-on und Glanz diskutiert. Aktuell wer-den auch andere Parameter herange-zogen, darunter die Spiegelschärfe(distinctness of image, DoI)1) [7]. Hier-auf wird nachstehend noch eingegan-gen.

Spiegelnde Reflexion und Glanz sindkeine spezifischen physikalischenEigenschaften einer Oberfläche. Sie

Abbildung 1: Spiegelnde und diffuse Reflexion [9]

Oberflächen -aus führunggemäß

ASTM A480

Beschreibung Glanz / Rauheit Anmerkungen

Nr. 3 Mittelfein geschliffene Oberfläche,ein- oder beidseitig

Durchschnittliche Oberflächenrau-heit (Ra) bis zu 40 Micro-Inch*

Oberflächenausführungen Nr. 3 und4 überlappen

Nr. 4 Geschliffene Oberfläche für allgemei-ne Anwendungen, ein- oder beidseitig

Durchschnittliche Oberflächenrau-heit (Ra) bis zu 25 Micro-Inch **

Oberflächenausführungen Nr. 3 und4 überlappen

Nr. 6 Seidenmatte Oberfläche, ein- oderbeidseitig gebürstet

Nr. 7 Hochglänzende Oberfläche Schleifriefen sind nicht entfernt

Nr. 8 Spiegelglanz Sehr schwache Polier- oderSchwabbelspuren können noch

sichtbar sein.

* ca. 1,0 �m** ca. 0,6 �mTabelle 2: Oberflächenausführungen gemäß ASTM A480/A480M [6]

1) Distinctness of image (DoI) wird in der Norm ASTM E430/D5767 definiert.

diffuse Reflexion

spiegelnde Reflexion

einfallendes Licht

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variieren mit dem Messwinkel unddem Durchmesser des Strahlenbün-dels des einfallenden bzw. reflektier-ten Lichts. Derartige Messungen sindalso nicht unabhängig von den einge-setzten Geräten. Die spiegelnde Refle-xion nimmt bei den meisten Ober-flächen mit größer werdendem Mess -winkel zu. Aus diesem Grund werdenGlanzmessgeräte mit unterschiedli-chen Messwinkeln eingesetzt [8].

Hochglanz wird vom Betrachter alsspiegelartige Oberfläche wahrgenom-men [10]. Glanz entsteht aus derFähigkeit einer Oberfläche, mehr Lichtin Spiegelrichtung abzustrahlen als inandere. Messungen nach diesem Prin-zip korrelieren mit optischen Wahr-nehmungen bei entsprechendenBetrachtungswinkeln. Glanz wirdgemessen, indem man den Spiegel-glanz einer Probe mit jenem einesstandardisierten schwarzen Glasesvergleicht [11].

Das menschliche Auge stellt nach wievor ein sensibles Werkzeug dar,Glanzunterschiede festzustellen.Gleichwohl kann es Glanz nur schwerquantifizieren. So wird z.B. eine opti-mal polierte Edelstahloberfläche alssehr glänzend empfunden, obwohlder Reflexionsgrad aus physikalischenGründen immer unter 70 % liegt.Dagegen wird eine etwas matte Alumi-niumoberfläche als weniger glänzendwahrgenommen, auch wenn der Refle-xionsgrad > 80 % ist. Dies liegt wohldaran, dass in die Beurteilung desGlanzes oft auch z.B. die Spiegelschär-fe mit einfließt. So ist die visuelleBeurteilung unzureichend, denn dieBedingungen sind nicht eindeutigdefiniert, zudem sehen und urteilenMenschen unterschiedlich. Darüberhinaus hängt die subjektive Wahrneh-mung auch von persönlichen Vorerfah-rungen ab. Glanz wird gemessen,indem man auf einen widergespiegel-ten Gegenstand scharfstellt, nicht aufdie Oberfläche selbst. Sehvermögenund Befindlichkeit haben einen ent-scheidenden Einfluss auf die visuelleBeurteilung. Zudem ist wichtig, ob dasAuge auf die Lichtquelle oder dieOberfläche fokussiert.

Eine Oberfläche wird beurteilt, indemder Betrachter auf das reflektierteAbbild einer Lichtquelle scharfstellt.Um eine praktikable und zuverlässige

Qualitätskontrolle durchzuführen,muss der optische Eindruck mittelsobjektiver, messbarer Kriterien defi-niert werden. Eine genaue Charakteri-sierung des Erscheinungsbildes hilftnicht nur bei der Qualitätssicherung,sondern optimiert auch den Herstel-lungsprozess [13]. Wenn wahrnehm-bare Glanzänderungen auftreten undProdukte mit gleichen Bezeichnungen

nicht gleich aussehen, betrachtet derKunde dies als Zeichen mangelnderQualität. Der Einsatz von Glanzmess-geräten und die Einrichtung einer wirk-samen Qualitätssicherung verhindern,dass Abweichungen zu einem Problemwerden.

Abbildung 2: Glanzmessungen in bestimmten Winkeln zur Oberfläche [14]

Abbildung 3: Glanzmessgerät [15]

Abbildung 4: Prinzipskizze eines Glanzmessgerätes [16]

Lampe Beleuchtungs-quellen-Maske

Blende

Messzellen-Maske

Messzelle mit vorge-schaltetem Filter

Probe

Auffanglinse

20°

60°

85°

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2.1 Wie wird Glanz gemessen?

Glanz lässt sich messen, indem einebestimmte Lichtmenge auf eine Ober-fläche gestrahlt und deren Reflexionfestgestellt wird. Lichteinfallswinkelund Messmethode hängen von derOberfläche ab.

Zur Bestimmung des Reflexionsgradswerden Glanzmessgeräte eingesetzt.Sie werfen Licht unter einem bestimm-ten Winkel auf die Testoberfläche undmessen den Grad der Reflexion. DieArt der Oberfläche entscheidet darü-ber, welcher Messwinkel – und damitwelches Gerät – gewählt wird. DieIntensität hängt von Material undBeleuchtungswinkel ab. Dabei ist essinnvoll, bei hohen Glanzwerten einenkleinen Winkel (20°) zu wählen undbei einem geringen Glanz einen größe-ren Winkel (z.B. 60°), so dass dasMess ergebnis in einem mittlerenBereich liegt. Oft zu finden sind Glanz-messgeräte, die wahlweise eine Mes-sung von drei Winkeln (20°, 60° und85°) erlauben.

Ein typisches Glanzmessgerät bildeteine feste bauliche Einheit, bestehendaus einer standardisierten Lichtquelle,die ein paralleles Strahlenbündel aufdie zu prüfende Oberfläche projiziert,und einer Messzelle mit vorgeschalte-tem Filter, welche die von der Ober-fläche zurückgeworfenen Strahlen auf-fängt. Dabei gilt die Gesetzmäßigkeit,dass Einfalls- und Ausfallswinkelgleich sind.

Bei geeigneter Anordnung von Licht-quelle, Messzelle und Probe lassensich Messungen in einem schmalenBereich des Reflexionswinkels vorneh-men. Die Messergebnisse des Glanz-messgerätes werden dann zu denMesswerten eines standardisiertenschwarzen Glases mit definiertem Bre-chungsindex in Beziehung gesetzt.Das Verhältnis reflektierten Lichts vonProbe und Referenzkörper ergibt denGlanzwert in Glanzeinheiten (glossunits, GU). Glanz ist in den Normen ENISO 2813 und ASTM D523 definiert.

Als Messwinkel gilt der Winkel zwi-schen dem einfallenden Licht und derProbennormalen. Drei Standard-Mess-winkel (20°, 60° und 85°) decken dieMehrzahl der industriellen Anwendun-gen ab [9]. Für bestimmte Materialien

sind andere Winkel üblich, z.B. 45° fürKeramik, Folien, Textilien und anodi-siertes Aluminium, oder 75° für Papierund Druckerzeugnisse.

Die GU-Skala ist zwar linear, allerdingsgelten für die jeweiligen Winkel unter-schiedliche Wertebereiche: 0–2000GU (20°), 0–1000 GU (60°) und 0–160GU (85°) [17]. Auf dem Markt gibt esGeräte, die auf die jeweiligen indus -triespezifischen Normen ausgelegtsind.

2.2 Hochglanz

Abbilder werden von hochglänzendenund glatten Oberflächen wegen derdirekten Reflexion deutlich widerge-spiegelt, d.h. die Reflexion erfolgt nurin Hauptrichtung. Ein- und Ausfalls-winkel des Lichtes sind gleich [18].

Hochglänzende Oberflächen können

zufällig verteilte Defekte wie Kratzeroder Grübchen aufweisen, diese sindallerdings oft so klein, dass sie mitbloßem Auge nicht wahrnehmbar sind[7].

2.3 Matt bis mattglänzend

Auf matten bis halbmatten Ober-flächen wird das Licht in alle Richtun-gen gestreut. Das Bild zeichnet sich,wenn überhaupt, nur unscharf ab. Jegleichmäßiger das Licht gestreutwird, desto weniger intensiv ist dieReflexion in Hauptrichtung unddesto matter erscheint die Ober-fläche [13].

In vielen Anwendungsbereichen vonnichtrostendem Stahl und anderenmetallenen Werkstoffen soll die Refle-xion möglichst gering sein, z.B. wennstarke Blendung die Sicherheit desStraßen- oder Luftverkehrs gefährden

Abbildung 5: Hoher Glanzgrad [33]

Abbildung 6: Hochglänzende Oberflächenausführung der Skulptur 'Cloud Gate' vonAnish Kapoor, Millenium Park, Chicago [19]

α α

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kann. Häufig werden auch aus gestal-terischen Erwägungen matte Ober-flächen bevorzugt [1]. Unter ästheti-schen Gesichtspunkten liegen derzeit– besonders in der Architektur – Ober-flächen im Trend, die reflexionsgemin-dert sind, jedoch weiterhin eine leben-dige metallische Oberflächenwirkungaufweisen [21].

Eine Reihe von Städten, darunter Sin-gapur und Sydney, haben Vorschrif-ten über die Tageslichtreflexion (dieSumme gerichtet und diffus reflek-tierten Lichts im sichtbaren Bereich)von Fassadenwerkstoffen erlassen[21]. Unabhängig von der gewähltenOberfläche reflektiert nichtrostenderStahl stets ungefähr 60 % der imsichtbaren Spektralbereich liegendenStrahlung. Die Bestimmungen wur-den im Jahr 2015 überarbeitet unddie Begrenzung der Gesamtreflexion

wurde aufgehoben. Bei Fassadenma-terialien wurde das Hauptaugenmerkauf die gerichtete Reflexion gelegt.Für sie wurde bspw. in Singapur einGrenzwert von 10 % und in Sydneyvon 20 % festgesetzt. Dabei gilt zubeachten, dass beide Städte unter-schiedliche Messprotokolle vorge-ben, so dass ein direkter Vergleichder beiden Vorschriften nicht möglichist. Neuere Lösungen bestehen z.B.darin, einem feinen Muster ein gro-bes zu überlagern. Derartige doppeltstrukturierte Oberflächen sind denMessergebnissen nach matt, erschei-nen jedoch optisch glatt, funkelndund lebhaft [21,22]. Werden verschie-dene metallene Werkstoffe für bauli-che Anwendungen miteinander verg-lichen, sind neben der Spiegelwir-kung auch die Absorptions- undEmissionseigenschaften der Ober-fläche von Bedeutung2).

3 Zusammenhangzwischen Ober-flächenrauheitund Glanz

Allgemein erhöht sich der Glanz, wennder Ra-Wert

3) geringer wird, und zwarunabhängig von Material und Richtungder Rauheit. Fällt der Ra-Wert unter ca.0,2 µm, steigt der Glanz stark an. DerWellenlängenbereich der Lichtquelle,der zur Glanzmessung verwendet wird,liegt im sichtbaren Spektrum zwischen0,38 µm und 0,78 µm. Daher ent-steht in Bereichen, die einen Ra-Wertvon weniger als ca. 0,2 µm haben,unabhängig von der genauen Rauheitgrundsätzlich spiegelnde Reflexion[23].

Über den direkten Zusammenhang

2) Bei Sonneneinstrahlung stellt sich auf einer schwarzen Oberfläche eine deutlich höhere Gleichgewichtstemperatur ein als auf einer weißen Oberfläche.Ein Maß dafür ist der SRI-Wert (solar reflectance index), der die relative Aufheizung einer Oberfläche wiedergibt, bezogen auf zwei Standardoberflächen:schwarz (SRI = 0) und weiß (SRI = 100). Gemäß einer Formel aus ASTM E 1980 lässt sich der SRI-Wert anhand der Absorptions- und Emissionskoef-fizienten der Oberfläche abschätzen. Die herrschenden Windverhältnisse werden durch entsprechende Konvektionskoeffizienten berücksichtigt. Aufden meisten metallenen Werkstoffen bilden sich im Laufe der Zeit Oxide, die zu einer Verschlechterung des SRI führen können. Im Unterschied dazubleibt der SRI-Wert bei nichtrostendem Stahl dauerhaft konstant. Der SRI-Wert geht im Rahmen nachhaltigen Bauens auch in die LEED-Zertifizierungein.

3) Vgl. auch ISER-Merkblatt 984: Rauheitsmaße bei Oberflächen von nichtrostendem Stahl, www.edelstahl-rostfrei.de

Abbildung 7: Vergleich des Glanzgrades unterschiedlicher metallener Werkstoffe [20]

Nichtrostender Stahl, spiegelpoliert (Oberflächenausführungen Nr. 7, 8 und 9)Nichtrostender Stahl, blankgeglüht (BA, 2R)

Aluminium, spiegelpoliertMonel, Lieferzustand

Nichtrostender Stahl, kaltgewalzt (2B)Aluminium, kaltgewalzt (Lieferzustand)

Nichtrostender Stahl, Oberflächenausführung Nr. 4, 2KKupferlegierungen, spiegelpoliert

Nichtrostender Stahl, glasperlengestrahltBlattgold

Nichtrostender Stahl, „Engelshaar“-OberflächeKupfer, kaltgewalzt

Aluminium, farblos anodisiertZink, unbewittert (Lieferzustand)

Aluminium, „Engelshaar“-OberflächeMessing, seidenmatt

Titan, kaltgewalzt (Lieferzustand)Verzinkter Stahl, großblumigVerzinkter Stahl, kleinblumig

Stahl, kaltgewalztStahl, bewittert

Zink, vorbewittertKupfer, bewittert

Blei, Lieferzustand

Hoher NiedrigerReflexionsgrad Reflexionsgrad(spiegelnd) (streuend)

Blaue Punkte: Glanzgrad im Neuzustand Grüne Punkte: Glanzgrad nach Alterung

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zwischen Oberflächenausführung,Oberflächenrauheit und Reflexionsei-genschaften gibt es nur wenige Infor-mationen. Abbildung 9 verdeutlichtdie Bedeutung des Lichteinfallswin-kels, mit dem der Glanz gemessenwird.

Glänzende Oberflächen werden in vie-len Branchen gemessen, angefangenvon Papierproduzenten bis zur Auto-mobilindustrie. Zu den Produktenzählen Farben und Lacke, Pulverbe-

schichtungen, Additive, Tinten, Kunst-stoffe, Holzschutzmittel oder anodi-sierte Metalle; zu den Anwendungsbe-reichen gehören u.a. Bootsbau, Fahrzeugbau, Luftfahrtindustrie, Glas -herstellung, Unterhaltungselektronikusw. [9].

4 Begriffe undDefinitionen

Glanz – optische Eigenschaft einerOberfläche, die durch ihre Fähigkeitcharakterisiert ist, Licht spiegelnd zureflektieren [24]. Glanz lässt sichabstufen in hochglänzend, glänzend,halbmatt, seidenmatt, matt und tief-matt [25].

Glanzeinheiten (gloss units, GU) –Einheit des Glanzwertes. Die Intensitätder Reflexion hängt vom Material undvom Einstrahlwinkel ab. Bei Nichtme-tallen (Lacken, Kunststoffen) steigt derAnteil der Reflexion mit dem Einstrahl-winkel an (z.B. werden bei 20° etwa5 % des Lichtes reflektiert, bei 85°dagegen 65 %). Das restliche Lichtdringt ins Material ein und wird abhän-gig vom Farbton absorbiert oder diffusgestreut. Die Messergebnisse derGlanzmessgeräte sind bezogen aufdie Reflexion eines schwarzen Glas-standards mit einem definierten Bre-chungsindex von 1,567. Diesem Stan-dard werden 100 Glanzeinheitenzugeordnet (z.B. bei 20° werden 5 %Reflexion auf 100 GU gesetzt, bei 85°sind 65 % gleich 100 GU). Die Mess -werte sind nicht ins Verhältnis gesetzt

Abbildung 9: Zusammenhang zwischen Oberflächenausführung, Rauheit und Glanz [1]

Rauheit Rz (µm) Glanz (%

)

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

5

10

15

gemessen unter85°60°20°

glasbruchge-strahlt

(„shark skin“)

matt (kontinuierlichgestrahlt)

geschliffenKorn 240

matt gewalzt 2B(IIIc)

2R(IIId)

spiegelpoliert

4) Glanzschleier (haze) ist in der Norm ASTM E430 beschrieben.

Abbildung 8: Reflexionswirkung unterschiedlicher metallener Oberflächen in Abhän-gigkeit von der Oberflächenrauheit (schematisch) [1]

Profil des Lichtbündels Profil des Lichtbündels Profil des Lichtbündels

einfallend ausfallend einfallend ausfallend einfallend ausfallend

glatte Oberfläche Oberfläche mit Mikrorauheit raue Oberfläche (z.B. 2R oder (z.B. 2D oder mattgewalzt) (z.B. grob geschliffen spiegelpoliert) oder mustergewalzt)

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zur prozentualen Reflexion. Metal-loberflächen können bis zu 20 x mehrLicht reflektieren als Nichtmetalle.Deshalb sind Glanzmessgeräte miteinem Messbereich bis zu 2000 GUausgestattet. Bei Metalloberflächen istes üblich, die Messung auf die einge-strahlte Lichtmenge zu beziehen undin % anzugeben.

Glanzschleier (haze)4) – führt zueinem Verlust an Kontrast. Rund umdie reflektierte Lichtquelle bilden sich„Höfe“, wodurch die Abbildungsqua-lität deutlich herabgesetzt wird [26].Die Ursache hierfür liegt in mikrosko-pischen Oberflächenstrukturen, wel-che die Richtung des zurückgeworfe-nen Lichts geringfügig verändern unddie Spiegelung der Lichtquelle ausblu-ten lassen. Die Oberfläche hat einengeringeren Kontrast und ein leicht mil-chiges Aussehen. Bei polierten Metal-len ist ein erhöhter Glanzschleier oftein Anzeichen für Polierspuren oderchemische Rückstände [27].

Glanzwert – der mit 100 multiplizierteQuotient des Lichtstroms, der voneiner Probe reflektiert wird, und einerGlasoberfläche mit einem Brechungs-index von 1,567 bei einer Wellenlängevon 587,6 nm in Spiegelrichtung beieinem bestimmten Reflexionswinkelsowie einem bestimmten Öffnungs-winkel der Lichtquelle und der Mess-zelle. Der Glanzwert wird von denOberflächeneigenschaften, z.B. Rau-heit, Muster und Struktur der Probe,bestimmt [30]. Blanke Metallteile,Spiegel usw. können Glanzwerte biszu 2000 GU erreichen [9,26].

8

Abbildung 10: Mit zunehmendem Glanzschleier nimmt der Reflexkontrast ab [28]

Abbildung 11: Ablenkung des reflektierten Lichts aufgrund mikroskopischer Ober-flächenstrukturen [27]

Abbildung 12: Beispiele von Oberflächen mit unterschiedlichen RIQ-Werten [22]

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LRV-Wert (light reflectance value) –ein Farbwert. In der ASTM E1477 98aoder BS8493:2008 wird der Wert aufdie Messung des Y-Tristimuluswertesfür einen 10°-Normalbeobachter unddie D65-Normlichtquelle mit einemSpektrophotometer mit Ulbrichtkugelzurückgeführt. Diese Angabe wirdüberwiegend von Planern und Desig-nern benutzt, z.B. Farbberatern imBauwesen, Architekten, Graphikernund Innenarchitekten.

Messanordnung – Festlegung einerMethode der Glanzmessung untereinem bestimmten Winkel und beibestimmten Begrenzungen des Licht-bündels.

Orangenhaut (orange peel) – Dieseorangenschalenartige Verzerrung wirddurch eine unregelmäßige Strukturgroßer Oberflächen verursacht, diedas reflektierte Licht ablenkt. Sie istdurch Instrumente wie Glanzmess-geräte nicht zu erfassen [9]. MöglicheUrsachen des Orangenhaut-Effektssind Rauheit bzw. Welligkeit des Aus-gangsmaterials [27].

Reflected image quality (RIQ) – isteine weitere Maßzahl, die angibt, wieklar ein reflektiertes Abbild auf einerOberfläche erscheint. Eine vollkom-men glatte Oberfläche, die ein Bildohne jegliche Verzerrung ergibt, hateinen RIQ-Wert von 100.

Spiegelglanz – gerichtete Reflexionvon Licht an einer Oberfläche. Dabeiwird jeder einfallende Lichtstrahl so

reflektiert, dass einfallender und aus-fallender Strahl mit der Oberflächedenselben Winkel bilden [29]. DasErgebnis ist eine spiegelartige Reflexi-on (engl. specular reflection, von lat.speculum = Spiegel) [30].

Spiegelschärfe (distinctness of image,DoI) – wird gemessen, um die Abbil-dungsqualität hochglänzender Ober-flächen wie Autolacke oder Spiegeljenseits ihrer Glanzeigenschaften zubeschreiben. Der DoI-Wert reagiertauch auf leichte Streueffekte sehrempfindlich. Je mehr Licht abwei-chend vom Reflexionswinkel gestreutwird, desto unschärfer ist das Bild unddesto mehr Details gehen verloren[31].

5 Zusammen -fassung

Oberflächen von nichtrostendem Stahlmit derselben Bezeichnung, insbeson-dere von verschiedenen Herstellern,können sich in Beschaffenheit undoptischen Eigenschaften deutlich von-einander unterscheiden, auch wennsie denselben Normen entsprechen.Messungen der optischen Eigenschaf-ten ermöglichen es, derartige Unter-schiede festzustellen und quantitativzu charakterisieren. Nicht immerbesteht ein einfacher Zusammenhangzwischen der Oberflächenrauheit undden optischen Eigenschaften [7]. Dieaktuellen Fassungen der Normen fürnichtrostenden Stahl [5,6] enthaltenkeine technischen Informationen überden Oberflächenzustand, sondernsind lediglich beschreibender Natur.Wenn das ästhetische Erscheinungs-bild in einer Anwendung von Bedeu-tung ist, ist es bewährte Praxis, Musterauszutauschen, da es sich als schwie-rig erwiesen hat, Oberflächen eindeu-tig zu beschreiben.

Abbildung 14: Prinzip der DoI-Messung [32]

Abbildung 13: Spiegelglanz wird durch Oberflächenstrukturen vermindert [28]

Hoher DoI-Wert Niedriger DoI-Wert

Abnahme des DoI-Wertes

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[15] BYK-Gardner GmbH, Geretsried

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[24] ISO 2813:2014 Paints and var-nishes – Determination of glossvalue at 20 degrees, 60 degreesand 85 degrees

[25] ISO 4618:2014 Paints and var-nishes – Terms and definitions

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[27] Rhopoint Instruments,http://www.rhopointinstru-ments.com/faqs/why-buy-an-iq-not-a-glossmeter/#DOI1,January 2017

[28] Elcometer 408 Triple Angle Gloss& DOI Meter, http://www.elcometer.com/en/appearance/distinctiveness-of-image/elcometer-408-triple-angle-gloss-doi-meter.html,November 2017

[29] https://en.wikipedia.org/wiki/Specular_reflection,November 2017

[30] Specular Reflection – Definitionhttps://www.azooptics.com/Article.aspx?ArticleID=822,November 2017

[31]Distinctness Of Imagehttps://en.wikipedia.org/wiki/Distinctness_of_image, January2017

[32] BYK-Gardner GmbH, Geretsried

[33] Aperam Stainless Services &Solutions Poland

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