DE3416973C2

DE3416973C2 -

Info

Publication number: DE3416973C2
Application number: DE19843416973
Authority: DE
Inventors: Elmar Dr. Ladstaedter; Werner Ing. Graz At Gessner
Original assignee: Vianova Resins AG
Current assignee: Allnex Austria GmbH
Priority date: 1983-05-09
Filing date: 1984-05-08
Publication date: 1990-08-16
Also published as: AT380337B; ATA168383A; DE3416973A1

Description

Das erfindungsgemäße Verfahren befaßt sich mit der quan titativen Charakterisierung des Verhaltens von organischen Beschichtungen bei steinschlagartiger Beanspruchung. Spe ziell für die Qualität der Lackierung von Fahrzeugen spielt die sogenannte Steinschlagfestigkeit eine wichtige Rolle. Eine reproduzierbare, quantitative Beurteilung dieser Ei genschaft ist sowohl bei der Entwicklung hochwertiger Be schichtungsmaterialien als auch in der Qualitätskontrolle von großer Bedeutung.

Zur Zeit sind eine Reihe von Steinschlagtests bekannt und im Gebrauch (siehe z. B. U. Zorll, Farbe+Lack 81, Nr. 6 (1975) S. 505-509, und A. Kneifel, Farbe+Lack 89, Nr. 1 1983, Seite 6-8), die man nach den dabei verwendeten Prüfgeräten in Einzel- und Mehrschlagverfahren einteilen kann. Für die Einzelschlagverfahren werden Schlagarm, Be schuß- und Fallgeräte verwendet, bei den Mehrfachschlag verfahren sind Beschuß und Fallgeräte üblich.

Vielfach liegen die erreichbaren Aufprallgeschwindigkeiten sehr niedrig (trifft für alle Geräte und Verfahren mit Be schleunigung im freien Fall zu) oder die Geschwindigkeiten sind nicht definierbar oder meßbar (alle Mehrfachschlag verfahren) bzw. die für die Schlagbeanspruchung wesentli chen Parameter der Schlagkörper, wie Masse und Krümmungs radius der Spitze sind ebenfalls undefiniert (z. B. Grave lometer der Fa. Ford).

Die derzeit bekannten Einzelschlag-Beschuß-Verfahren ver wenden mit Druckluft beschleunigte Stahlkugeln, bei denen naturgemäß Durchmesser und Masse voneinander abhängig sind (z. B. Schlagprüfgerät der Deutschen Bundesbahnen). Bei einigen bekannten Steinschlagtests wird der Schlagkörper über einen starr gekoppelten Schlagarm geführt (z. B. A. Zosel; Farbe+Lack 83, Nr. 1, 1977, Seite 9-12), was sicher nicht der Beanspruchungsform eines frei fliegen den Schlagkörpers entspricht, besonders wenn der Auftreff winkel nicht genau 0° bezogen auf die Flächennormale be trägt.

Die Beurteilung des Ergebnisses der schlagartigen Bean spruchungen erfolgt üblicherweise qualitativ oder halb quantitativ durch Vergabe von Kennwerten (z. B. A bis D nach DIN 53 154).

Schließlich ging man bisher von der naheliegenden Vorstel lung aus (siehe z. B. U. Zorll, Farbe+Lack 81, Nr. 6, 1975), daß die Bewegungsenergie des Schlagkörpers in erster Linie für Größe und Art der Beschädigung ausschlaggebend sei. Diese Vorstellung rechtfertigte auch bisher die Ver wendung massereicher Schlagkörper mit niedriger Geschwin digkeit (Fallgeräte) anstelle der in der Praxis vorkom menden schnellfliegenden Teilchen geringer Masse.

Auch das in der DD-PS 16 00 11 beschriebene Verfahren, bei welchem mit einer federbeschleunigten Masse ein Schlag auf eine auf der Prüffläche ruhende Kugel ausge führt wird, weist große Massen und kleine Geschwindig keiten auf.

In der DE 31 28 711 A1 wird ein Schlagwerk zur Werk stoffprüfung beansprucht. Es arbeitet zwar mit relativ hoher Geschwindigkeit, die auftretenden Belastungen entsprechen jedoch keineswegs solchen, wie sie bei Ver wendung von freiliegenden Prüfkörpern mit kleiner Mas se auftreten.

Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß Art und Größe der Beschädigung vor allem von der Aufprallgeschwindigkeit des Schlagkörpers und erst in zweiter Linie von der kine tischen Energie oder vom Impuls abhängen. Charakteristische Schadensformen treten bei Variationen von Masse und Krüm nungsradius der Spitze des Schlagkörpers immer im gleichen Geschwindigkeitsbereich auf.

Es wurde nun gefunden, daß man eine quantitative Charakteri sierung des Verhaltens organischer Beschichtungen bei steinschlagartiger Belastung erhält, wenn man ein beschich tetes Substrat, beispielsweise ein lackiertes Stahlblech, nacheinander an verschiedenen Stellen dem Aufprall frei fliegender, über Masse und Krümmungsradius der Spitze genau definierter Schlagkörper aussetzt und die Fläche der so in der Beschichtung erzeugten Beschädigung vermißt und die Schadensfläche mit der Geschwindigkeit des Schlagkörpers in Beziehung setzt.

Diese Funktion wird über einen größeren Geschwindigkeits bereich (z. B. von 20 bis 150 km/h) bei definiertem Auf treffwinkel und konstanter Prüftemperatur aufgenommen, wo durch aussagekräftige Kurven erhalten werden.

Die Erfindung betrifft dementsprechend ein Verfahren zur quantitativen Charakterisierung des Verhaltens organischer Beschichtungen bei steinschlagartiger Beanspruchung, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß man die Beschichtung an jeweils gleichwertigen Stellen einer beschichteten Probe bei definierter Prüftem peratur und festgelegtem Auftreffwinkel in zeitlicher Abfolge dem Aufprall gleich artiger Schlagkörper aussetzt, die mit einer kegeligen Spitze mit einer daran befestigten Stahlkugel versehen sind und über ihre Masse und den Krümmungsradius der Stahlkugel definiert sind, wobei man die Aufprallgeschwindigkeit stufenweise über einen größeren Bereich variiert und die Flächen der solcherart in der Be schichtung erzeugten Beschädigungen ausmißt und jeweils die Wertepaare aus Schadensfläche und aus zugehöriger gemessener Geschwindigkeit graphisch darstellt.

Damit die Schlagbeanspruchung weitestgehend der Praxis ent spricht, sollte die Masse des Schlagkörpers zwischen 0,1 und 5 g liegen und vorzugsweise zwischen 0,2 und 2 g. Bei kleineren Massen wird die zur Erzielung einer bleibenden Beschädigung notwendige Mindestenergie unterschritten, größere Massen bewirken nur mehr eine zunehmende Defor mation des Beschichtungsträgers.

Weiters wurde nun gefunden, daß für die reproduzierbare Charakterisierung des Verhaltens bei steinschlagartiger Belastung die Schlagkörper kugelförmige "Spitzen" mit Durchmessern von 0,5 bis 5 mm haben sollten; besonders günstig erweisen sich Kugeldurchmesser im Bereich von 1 bis 3 mm; diese entsprechen am ehesten den praktisch vorkom menden Krümmungsradien.

Speziell für die Beurteilung der Beschichtungen an Fahr zeugen sollte in einem Geschwindigkeitsbereich von etwa 20 bis 200 km/h geprüft werden; sowohl bei höheren als auch bei niedrigeren Geschwindigkeiten verläßt man den durch die besonderen viskoelastischen Eigenschaften der organischen Beschichtung geprägten und für die praktische Verwendung interessanten Bereich.

Für die Beschleunigung der als Geschosse ausgebildeten Schlagkörper auf die genannten Geschwindigkeiten eignet sich am besten ein modifiziertes Luftgewehr, wobei die zur Beschleunigung zur Verfügung stehende Energie in Form kom primierter Luft über einen einstellbaren Bypaß mehr oder weniger reduziert werden kann.

Zur vollständigen Beschreibung der Beschichtungseigen schaften solle der Beschuß unter mehreren verschiedenen Auftreffwinkeln durchgeführt werden, da Tangential- und Normalkomponenten der schlagartigen Belastung verschiedene Beanspruchungsformen darstellen und zu unterschiedlichen Schadensformen führen. Die Schadensfunktion soll daher zu mindest bei (nahezu) senkrechtem und bei schrägem Beschuß bestimmt werden, um das Spektrum der möglichen Belastungs effekte weitergehend zu erfassen.

Wegen der bei frei fliegenden Schlagkörpern unvermeid lichen Unsicherheit der tatsächlichen Aufprallgeschwin digkeit erfolgt beim erfindungsgemäßen Verfahren eine Mes sung der Geschwindigkeit unmittelbar vor der Aufprallstelle.

Am besten eignet sich hierfür eine Lichtschranke oder ein ähnliches üblicherweise elektronisch gesteuertes Meßver fahren.

In Fällen, in denen die Art der charakteristischen Funktion, d. h. Schadensfläche in Abhängigkeit von der Geschoßge schwindigkeit bereits gut bekannt ist, genügt für Routine vergleiche die Angabe zweier Werte anstelle der gesamten Funktion. Es wurde gefunden, daß die Messung bei der "Schwellengeschwindigkeit" V₀ (bei beginnendem Schaden) und die Schadensgröße bei V=100 km/h (F₁₀₀) die höchste Aussagekraft haben.

Das schon früher erwähnte viskoelastische Verhalten der Be schichtungsmaterialien erfordert bei grundlegenden Mes sungen weiters eine Variation der Prüftemperatur, wobei sich gezeigt hat, daß zumindest bei zwei unterschiedlichen Temperaturen im Bereich von -20°C bis +50°C, vorzugsweise aber bei -10°C und +30°C gemessen werden sollte.

Eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens be sonders geeignete Anordnung (siehe Abb. 1) besteht aus ei nem Luftgewehr (1) mit glattem Lauf, das sich zum wieder holten Abschießen derselben Geschosse eignet, mit zusätz lichem, über eine Mikrometerschraube definiert verstell barem Bypaß (2) und mit einer normalen Abzugsvorrichtung (10). Dieses Luftgewehr ist zusammen mit dem schwenkbaren und mittels Rohrleitungen (11) temperierbaren Probentisch (9) auf einer Grundplatte (3) montiert, eine spezielle Ver längerung des Laufes trägt die Geschwindigkeitsmeßvor richtung (5). Die Temperaturmeßstelle im Probentisch (9) sowie die Geschwindigkeitsmeßvorrichtung (5) sind mit ei nem Anzeigegerät (6) verbunden, ein Auffänger (7) bremst die von den Proben (8) abprallenden Geschosse ab.

Die in der erfindungsgemäßen Anordnung zu verwendenden Schlagkörper haben Geschoßform und bestehen aus der in der kegeligen Spitze (21) eingesetzten, gehärteten Stahlkugel (20) und dem Geschoßmantel (22). Größe und Form der Spitze (21) sowie Material, Länge und Wandstärke des Mantels (22) richten sich nach der Größe der Kugel (20) und der einzu haltenden Gesamtmasse des Geschosses. Die Abmessungen in Abb. 2 haben daher nur beispielhaften Charakter.

Die folgenden Beispiele sollen das beanspruchte Verfahren an typischen Beschichtungen, wie sie in der Automobil industrie üblich sind, illustrieren. Es handelt sich in allen Fällen um Mehrschichtsysteme bestehend aus einem phosphatierten Stahlblech, einer Elektrotauchgrundierung, einer Füllerschicht und einem Decklack. Die Gesamtschicht stärke beträgt jeweils ca. 0,1 mm für die Beschichtung, das Stahlblech hat eine Dicke von 0,8 mm.

Beispiel 1

In Abbildung (3) werden die Ergebnisse mit zwei verschiedenen in der Automobilindustrie eingesetzten Lackaufbauten angegeben, wobei beim Aufbau (B) lediglich ein übliches Standardfüllermaterial gegen einen besonders günstigen speziellen "Steinschlagfüller" ausgetauscht wur de.

Folgende Versuchsbedingungen wurden festgelegt:

Geschoßmasse: 0,5 g
Durchmesser der Kugel an der Geschoßspitze: 3 mm
Prüftemperatur: 22°C
Auftreffwinkel: 5° (= Abweichung von der 0-Stel lung Prüfblech senkrecht zur Laufachse)

Aus dem Kurvenverlauf ergibt sich die eindeutige Über legenheit der Beschichtung (B) bei allen über 33 km/h lie genden Geschoßgeschwindigkeiten. Lediglich der V₀-Wert, d. h. der Geschwindigkeitswert, bei welchem die Beschich tung die erste bis auf das Substrat durchgehende Beschä digung aufweist, liegt beim System (A) geringfügig besser.

Beispiel 2

Dieses Beispiel zeigt die Wirkung bei Änderung des Verhältnisses der Schichtstärken von Decklack und Füller (siehe Abb. 4).

Versuchsbedingungen

Geschoßmasse: 0,5 g
Kugeldurchmesser: 1 mm
Prüftemperatur: 20°C
Auftreffwinkel: 5°

Der Versuch zeigt, daß bei Erhöhung der Schichtstärke des Decklackes zwar die "Schwellengeschwindigkeit" (V₀), welche zur Erzeugung des ersten, bis zum Substrat reichenden Scha dens notwendig ist, höher liegt. Die Schadenswerte bei hö heren Geschwindigkeiten sind bei diesem Aufbau aber wesent lich größer als bei höheren Füllerschichtstärken (und entsprechend verringerter Decklackschichtstärke). Mit Hilfe dieser Schadensfunktionen können daher die Eigenschaften des Lackaufbaues wirkungsvoll optimiert werden, was bei den bisher bekannten Beurteilungsverfahren nicht möglich wäre.

Beispiel 3

(siehe Abb. 5) In diesem Beispiel, das die Schadensfunktionen eines Lack-Aufbaues bei verschiedenen Geschoßmassen darstellt (Meßtemperatur 20°C, Auftreffwin kel 5°, Kugeldurchmesser 1 mm), erkennt man sehr deutlich den dominierenden Einfluß der Aufprallgeschwindigkeit (V) bei verschiedenem Impuls des Schlagkörpers. Aus diesen Schadensfunktionen läßt sich auch eine mit der Auftreff geschwindigkeit zunehmende Plastifizierung der Beschichtung ablesen, was den üblichen Vorstellungen völlig wider spricht. Auch solche, für die Entwicklung neuer Beschich tungsmaterialien wichtige Erkenntnisse ließen sich aufgrund bisher üblicher Beurteilungsverfahren nicht gewinnen.

Claims

1. Verfahren zur quantitativen Charakterisierung des Verhaltens organischer Beschichtungen bei steinschlagartiger Beanspruchung, dadurch gekennzeichnet, daß man die Beschichtung an jeweils gleichwertigen Stellen einer beschichteten Probe, bei definierter Prüftemperatur und festge legtem Auftreffwinkel in zeitlicher Abfolge dem Aufprall gleichartiger Schlagkörper aussetzt, die mit einer kegeligen Spitze mit einer daran befestigten Stahlkugel versehen sind und über ihre Masse und über den Krümmungsradius der Stahlkugel, definiert sind, wobei man die Aufprall geschwindigkeit stufenweise über einen größeren Bereich variiert und die Flächen der solcherart in der Beschichtung erzeugten Beschädigungen ausmißt und jeweils die Wertepaare aus Schadensfläche und aus zugehöriger gemessener Geschwindigkeit graphisch darstellt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man Schlagkörper mit einer Masse von 0,1 bis 5 g, vorzugsweise von 0,2 bis 2 g, und mit einem Durchmesser der am Schlagkörper befestigen Stahlkugel (20) von 0,5 bis 5 mm, vorzugsweise von 1 bis 3 mm, verwendet.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schlagkörper aus einem Luftgewehr mit durch einen variablen Bypaß einstellbaren Geschwin digkeiten von 20 bis 200 km/h abgeschossen werden.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß man die Schlagkörper unter mindestens zwei verschiedenen Auftreffwinkeln im Bereich von 0 bis 60° aufprallen läßt, vorzugsweise bei 5° und 45°.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Beschichtungen bei mindestens zwei verschiedenen Temperaturen im Bereich von -20°C bis +50°C, vorzugsweise bei -10°C bis +30°C geprüft werden.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß man die Geschwindigkeit des Schlagkörpers unmittelbar vor der Auftreffstelle mißt.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß man zur Kurzbewertung einer Beschichtung die Schwellengeschwindigkeit V₀ (beginnender Schaden) und die Schadensgröße bei V=100 km/h (F₁₀₀) angibt.

8. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den An sprüchen 1 bis 7, gekennzeichnet durch ein Luftgewehr (1) mit glattem Lauf (4) vom Kaliber 4-6 mm, vorzugs weise 5,5 mm, einstellbarem Bypaß (2) und Abzugsvor richtung (10), montiert auf einer Grundplatte (3), wei ters durch eine an der Mündung fixierte elektronische Geschwindigkeitsmeßvorrichtung (5), einen schwenkbaren und mittels Rohrleitungen (11) temperierbaren Proben tisch (9) zur Aufnahme der Proben (8), einen Auffänger (7) für die abprallenden Schlagkörper und ein Anzeige gerät (6) für die Aufprallgeschwindigkeit und die Probentemperatur.

9. Schlagkörper zur Verwendung in der Anordnung nach An spruch 8, gekennzeichnet durch eine an der kegeligen Spitze (21) befestigte, gehärtete Stahlkugel (20) und einen Geschoßmantel (22), der je nach Gesamtmasse des Schlagkörpers aus spezifisch leichteren oder schwereren Materialien besteht und verschiedene Länge bzw. Tiefe der Ausbohrung aufweist.