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Verfahren zur quantitativen Charakterisierung des
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Verhaltens von organischen Beschichtungen bei steinschlagartiger Beanspruchung
und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens
Verfahren zur quantitativen
Charakterisierung des Verhaltens von organischen Beschichtungen bei steinschlagartiger
Beanspruchung und Anordnung zur Durchführun des Verfahrens Das erfindungsgemäße
Verfahren befaßt sich mit der quantitativen Charakterisierung des Verhaltens von
organischen Beschichtungen bei steinschiagattiger Beanspruchung. Speziell für die
Qualität der Lackierung von Fahrzeugen spielt die sogenannte Steinschlagfestigkeit
eine wichtige Rolle.
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Eine reproduzierbare, quantitative Beurteilung dieser Eigenschaft
ist sowohl bei der Entwicklung hochwertiger Beschichtungsmaterialien als auch in
der Qualitätskontrolle von großer Bedeutung.
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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. XNEIFEL,
Farbe + Lack 89, Nr. 1 1983, Seite 6 - 8), die man nach den dabei verwendeten Prfgeräten
in Einzel- und Mehrschlagverfahren einteilen kann. Für die Einzelschlagverfahren
werden Schlagarm, Beschuß- und Fallgeräte verwendet, bei den Mehrfachschlagverfahren
sind Beschuß und Fallgeräte üblich.
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Vielfach liegen die erreichbaren Aufprallgeschwindigkeiten sehr niedrig
(trifft für alle Geräte und Verfahren mit Beschleunigung im freien Fall zu) oder
die Geschwindigkeiten sind nicht definierbar oder meßbar (alle Mehrfachschlagverfahren)
bzw. die für die Schlagbeanspruchung wesentlichen Parameter der Schlagkörper, wie
Masse und Krümmungsradius der Spitze sind ebenfalls undefiniert (z. B. Gravelometer
der Fa. FORD).
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Die derzeit bekannten Einzelschlag-Beschuß-Verfahren verwenden 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.
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A. ZOSEL; Farbe + Lack 83, Nr. 1, 1977, Seite 9 - 12), was sicher
nicht der Beanspruchungsform eines frei fliegenden Schlagkörpers entspricht, besonders
wenn der Auftreffwinkel nicht genau Q° bezogen atf die Flächennormale beträgt.
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Die Beurteilung des Ergebnisses der schlagartigen Beanspruchungen
erfolgt üblicherweise qualitativ oder halbquantitativ durch Vergabe von Kennwerten
(z. B. A bis D nach DIN 53 154).
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Schließlich ging man bisher von der naheliegenden Vorstellung aus
(siehe z. B. U. ZORLL, Farbe + Lack 81, Nr. 6, 1975), daß die Bewegungsenergie des
Schlagkörpers in erster Linie für Größe und Aet der Beschädigung ausschlaggebend
sei. Diese Vorstellung rechtfertigte auch bisher die Verwendung massereicher Schlagkörper
mit niedriger Geschwindigkeit (Fallgeräte) anstelle der in der Praxis vorkommenden
schnellfliegenden Teilchen geringer Masse.
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dberraschenderweise wurde nun gefunden, daß Art und Größe der Beschädigung
vor allem von der Aufprallgeschwindigkeit des Schlagkörpers und erst in zweiter
Linie von der kinetischen Energie oder vom Impuls abhängen. Charakteristische Schadens
formen treten bei Variationen von Masse und Krümmungsradius der Spitze des Schlagkörpers
immer im gleichen Geschwindigkeitsbereich auf.
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Es wurde nun gefunden, daß man eine quantitative Charakteri sierung
des Verhaltens organischer Beschichtungen bei stein schlagartiger Belastung erhält,
wenn man ein beschichtetes 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 Flächen der so in der
Beschichtung erzeugten Beschädigung vermißt und die Schadens fläche mit der Geschwindigkeit
des Schlagkörpers in Beziehung setzt.
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Diese Funktion wird über einen größeren Geschwindigkeitsbereich (z.
B. von 20 bis 150 km/h) bei definiertem Auftreffwinkel und konstanter Prüftemperatur
aufgenommen, wodurch aussagekräftige Kurven erhalten werden.
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Die Erfindung betrifft dementsprechend ein Verfahren zur quantitativen
Charakterisierung des Verhaltens organischer Beschichtungen bei steinschlagartiger
Beanspruchung, weahes dadurch gekennzeichnet ist, daß man die Beschichtung an mehreren
gleichwertigen Stellen bei definierter Prüftemperatur und festgelegtem Auftreffwinkel
dem Aufprall gleich artiger, über ihre Masse und den Xrümmungsradius ihrer Spitze
genau definierter Schlagkörper aussetzt, wobei man die Aufprallgeschwindigkeit in
Stufen über einen größeren Bereich variiert und die Flächen der solcherart in der
Beschichtung erzeugten Beschädigungen vermißt und als Funktion der jeweiligen genau
gemessenen Geschwindigkeit.des Schlagkörpers darstellt.
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Damit die schlagbeanspruchung weitestgehend der Praxis entspricht,
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 Deformation des Beschichtungsträgers.
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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
vorkammenden Krümmungsradien.
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Speziell für die Beurteilung der Beschichtungen an Fahrzeugen 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.
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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 komprimierter
Luft über einen einstellbaren Bypaß mehr oder weniger reduziert werden kann.
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Zur vollständigen Beschreibung der Beschichtungseigenschaften 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- zumindest bei (nahezu) senkrechtem und bei schrägem Beschuß bestimmt
werden, um das Spektrum der möglichen Belastungseffekte weitergehend zu erfassen.
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Wegen der bei frei fliegenden Schlagkörpern unvermeidlichen Unsicherheit
der tatsächlichen Aufprallgeschwindigkeit erfolgt beim erfindungsgemäßen Verfahren
eine Messung der Geschwindigkeit unmittelbar vor der Aufprallstelle
Am
besten eignet sich hierfür eine Lichtschranke oder ein ähnliches üblicherweise elektronisch
gesfeuertes Meßverfahren.
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In Fällen, in denen die Art der charakteristischen Funktion.
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d. h. Schadensfläche in Abhängigkeit von der Geschoßgeschwindigkeit
bereits gut bekannt ist, genügt für Routinevergleiche'die Angabe zweier Werte anstelle
der gesamten Funktion. Es wurde gefunden, daß die Messung bei der.
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"Schwellengeschwindigkeit" V0 (bei beginnendem Schaden) und die Schadensgröße
bei V = 100 km/h (foto) die höchste Aussagekraft haben.
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Das schon früher erwähnte viskoelastische Verhalten der Beschichtungsmaterialien
erfordert bei grundlegenden Messungen weiters eine Variation der Prüftempexatur,
wobei sich gezeigt hat, daß zumindest bei zwei unterschiedliohen Temperaturen im
Bereich von -200C bis +500C, vorzugsweise aber bei -100C und +300C gemessen werden
sollte.
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Eine zur Durchführung des erfindungsgemagen Verfahrens besonders geeignete
Anordnung (siehe Abb. 1) besteht aus einem Luftgewehr (1) mit glattem Lauf, das
sich zum wiederholten AbschieBen derselben Geschoße eignet, mit zusätzlichem, über
eine Mikrometerschraube definiert verstellbarem Bypaß (2) und mit einer normalen
Abzugsvorrichtunc (10). Dieses Luftgewehr ist zusammen mit dem schwenkbaren und
mittels Rohrleitungen (11) temperierbaren Probentiscn (9) auf einer Grundplatte
(3) montiert, eine spezielle Verlängerung des Laufes trägt die Geschwindigkeitsmeßvorrichtung
(5). Die Temperaturmeßstelle im Probentisch (9) sowie die Geschwindigkeitsmeßvorrichtung
(5) sind mit einem Anzeigegerät (6) verbunden, ein Auffänger (7) bremst die von
den Proben (8) abprallenden Geschoße ab.
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Die in der erfindungsgemäßen Anordnung zu verwendenden Schlagkörper
haben Geschoß form 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 einzuhaltenden Gesamtmasse des Geschoßes Die Abmessungen
in Abb. 2 haben daher nur beispielhaften Charakter.
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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 phösphatietten
Stahlblech, einer Elektrotauchgrundierung, einer Füllerschicht und einem Decklack.
Die Gesamtschichtstärke 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 bliches Standardfüllermaterial gegen einen besonders
günstigen speziellen "Steinschlagfüller" ausgetauscht wurde. -.
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Folgende Versuchsbedingungen wurden festgelegt: Geschoßmasse: 0,5
g Durchmesser der Kugel an der Geschoßspitze: 3 mm Prüftemperatur: 220C Auftreffwinkel
: 50 (= Abweichung von der O-Stellung Prüfblech senkrecht zur Laufachse)
Aus
dem Kurvenverlauf ergibt sich die eindeutige Überlegenheit der Beschichtung (B)
bei allen über 33 km/h liegenden Geschoßgeschwindigkeiten. Lediglich der V0-Wert,
d. h. der Geschwindigkeitswert, bei welchem die Beschichtung die erste bis auf das
Substrat durchgehende Beschädigung aufweist, liegt beim System lA) geringfügig besser.
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Beispiel 2: Dieses Beispiel zeigt die Wirkung bei Änderung des Verhältnisses
der Schichtstärken von Decklack und Füller (siehe Abb. 4>.
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Schichtstärken (m) Aufbau Grundierung . . Füller Decklack C 20 50
30 D 20 40 40 E 20 30 50 Versuchsbedingungen Gesdhoßmasse: 0,5 g Kugeldurchmesser:
1 mm Prüftemperatur: 20 0C Auftreffwinkel: 50 Der Versuch zeigt, daß bei Erhöhung
der Schichtstärke des Decklackes zwar die "Schwellengeschwindigkeit" (V0), welche
zur Erzeugung des ersten, bis zum Substrat reichenden Schadens notwendig ist, höher
liegt. Die Schadenswerte bei höheren Geschwindigkeiten sind bei diesem Aufbau aber
wesentlich größer als bei höheren Füllerschichtstärken ( und entsprechend verringerter
Decklackschichtstärke). Mit Hilfe dieser Schadens funktionen können daher die Eigenschaften
des Lackaufbaues wirkungsvoll optimiert werden, was bei den bisher bekannten-Beurteilungsverfahren
nicht möglich wäre.
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Beispiel 3: (siehe Abb. 5) In diesem Beispiel, das die Schadens funktionen
eines Lack-Aufbaues bei verschiedenen Geschoßmassen darstellt (Meßtemperatur 200C,
Auftreffwinkel 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 Auftreffgeschwindigkeit
zunehmende Plastifizierung der Beschichtung ablesen, was den üblichen Vorstellungen
völlig wider.
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spricht. Auch solche, für die Entwicklung neuer Beschichtungsmaterialien
wichtige Erkenntnisse ließen sich aufgrund bisher üblicher Beurteilungsverfahren
nicht gewinnen.