FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN Nr. 2047 Herausgegeben im Auftrage des Ministerpräsidenten Heinz Kühn von Staatssekretär Professor Dr. h. c. Dr. E. h. Leo Brandt DK 620.178.14:620.178.784:667.613 Prof. Dr. Werner Funke Dr. Ulricb Zorll Forschungsinstitut für Pigmente und Lacke e. V., Stuftgart im Auftrage der Deutschen Forschungsgesellschaft für Blechverarbeitung und Oberflächenbehandlung e. V., Düsseldorf Prüfung und Beurteilung von Methoden zur Bestimmung der Eigenschaften von Blechlackierungen SPRINGER FACHMEDIEN WIESBADEN GMBH 1969 Verlags-Nr. 012047 © Springer Fachmedien Wiesbaden 1969 Ursprünglich erschienen bei Wesrdeurscher Verlag GmbH, Köln und Opladen 1969 Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag • ISBN 978-3-663-19976-2 ISBN 978-3-663-20324-7 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-20324-7 Inhalt Vorwort............................................................... 5 I. Prüfung und Beurteilung von Methoden zur Bestimmung der Eigenschaften von Blechlackierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1. Kugelstrahlversuch nach DIN 53154 zur Bestimmung der Schlagfestigkeit von Anstrichen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2. Stabhärteprüfung nach WEINMANN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 II. Prüfungsmethoden zur Bestimmung der Oberflächenverletzbarkeit von An- strichen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1. Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2. Untersuchung der Schlagfestigkeit von Lackanstrichen mit dem Kugelstrahl schachtnach DIN 53154 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3. Vergleich der Kugelstrahlmethode DIN 53154 mit der Hagelschlagmethode nach SrKKENS-DANTUMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 4. Steinschlagfestigkeit nach der »Hahnpick«-Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 5. Vergleichende Untersuchung verschiedener Ritzwerkzeuge bei der Gitter schnittmethode und Untersuchung einer Kreisschnittmethode zur Beurtei lung der Haftfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 6. Prüfmethode für die Oberflächenverletzbarkeit von Lackfilmen durch Schleifbeanspruchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3 Vorwort Für die Schutzfunktion von Anstrichen ist eine vollständige Bedeckung der zu schüt zenden Gegenstände wichtig, was mit den heutigen Auftragsverfahren im allgemeinen auch zu erreichen ist. Eine vollständige Bedeckung allein genügt jedoch nicht; der Anstrichfilm muß unter praktischen Bedingungen auch intakt bleiben, das heißt gegen mechanische Einwirkungen möglichst unempfindlich sein. Örtliche Verletzungen müssen zwar nicht unbedingt die Schutzwirkung des umgebenden intakten Anstrich films beeinträchtigen, doch wirken in der Folge häufig auftretende Korrosionserschei nungen, mindestens optisch, ungünstig. Die vorliegenden Untersuchungen betreffen den Bereich der Mechanischen Verletzbarkeif von Anstrichen. Für die Prüfung der mechanischen Verletzbarkeit von Anstrichen gibt es zahlreiche Methoden, deren Bedeutung und Verbreitung unterschiedlich ist. Wichtig ist, daß die praktische Beanspruchung bei diesen Prüfmethoden sinnvoll verstärkt und möglichst naturgetreu nachgeahmt wird. Solche Methoden bezeichnet man auch als Gebrauchs wertprüfmethoden. Bei diesen Prüfmethoden ist eine kritische Deutung der Meßwerte unerläßlich. Das erstrebenswerte Ziel für die Beurteilung mechanischer Einflüsse auf Anstriche sind physikalisch exakte Prüfmethoden, die definierte Meßwerte liefern. Leider gibt es bisher in der ganzen Anstrichprüftechnik nur wenige solcher Methoden. Nicht nur deshalb dürften zweckentsprechende Gebrauchswertprüfmethoden auch in Zukunft unentbehrlich bleiben; denn bei der mechanischen Beanspruchung von Anstrichen spielen häufig mehrere Anstricheigenschaften und ihr Zusammenwirken eine wichtige Rolle, was auf andere Weise als durch eine Gebrauchswertprüfung kaum zu erfassen ist. In der vorliegenden Arbeit wurde die Reproduzierbarkeit der Meßwerte, Anwendungs grenzen und Auswertung folgender Untersuchungsmethoden geprüft: I. Kugelstrahlversuch nach DIN 53154 zur Bestimmung der Schlagfestigkeit von Anstrichen Die Kugelstrahlbeanspruchung nach DIN 53154 ist eine Methode zur Prüfung der Schlagfestigkeit von Anstrichen gegen aufprallende harte, runde Körper größeren Durchmessers. Für die Beurteilung der Widerstandsfähigkeit gegen Schlagbeanspru chung durch scharfkantige Gegenstände oder gegen Steinschlag ist diese Methode nicht zweckmäßig. II. Stabhärteprüfung nach WEINMANN Diese Methode ist zur Bestimmung der Oberflächenempfindlichkeit von relativ harten Anstrichen geeignet. Um die Meßwertschwankungen möglichst gering zu halten, ist unbedingt darauf zu achten, daß keine zu hohe Ziehgeschwindigkeit verwendet wird. Vorteilhaft bei diesem Gerät ist es, daß es auch an gekrümmten Flächen eingesetzt werden kann. III. Prüfungsmethoden zur Bestimmung der Oberflächenverletzbarkeit von Anstrichen Die Verletzbarkeit von Lack- und Anstrichfilmen gegen mechanische Einwirkungen bei kurzzeitiger, schlagartiger Beanspruchung durch aufprallende Steine oder andere 5 harte Gegenstände und bei ritzender, kratzender oder schürfender Beanspruchung durch Zweige oder Bürsten und dergleichen ist bei Industrielackierungen, besonders bei Fahrzeuglackierungen, von erheblicher Bedeutung. In den Untersuchungen wurden eine Reihe von Prüfmethoden erprobt und zum Teil mit bekannten Methoden verglichen, um ihre Brauchbarkeit und Reproduzierbarkeit beurteilen zu können. I. Prüfung und Beurteilung von Methoden zur Bestimmung der Eigenschaften von Blechlackierungen 1. Kugelstrahlversuch nach DIN 53154 zur Bestimmung der Schlagfestigkeit von Anstrichen Zur Bestimmung der Schlagfestigkeit von Anstrichen ist eine Reihe von Prüfmethoden bekannt, bei denen die praktische Beanspruchung nachgeahmt wird. Die einzelnen Methoden für diese Gebrauchswertprüfungen unterscheiden sich in erster Linie in der Art und Menge des angewandten Schlagmaterials, im Auftreffwinkel und der Kraft, mit der das Schlagmaterial auf den Anstrich auftrifft. Bei schrägem Auftreffwinkel und entsprechend kleinem Schlagmaterial besteht ein Übergang zu den Verhältnissen bei der Abriebprüfung. Bei der Bestimmung der Schlagfestigkeit nach DIN 53154 wird eine Prallbeanspru chung durch Stahlkugeln auf die Anstrichoberfläche ausgeübt, ohne daß der Anstrich untergrund dabei bleibend und stärker verformt wird. Versuchsdurchführung Die verwendeten Lacke wurden auf die Probebleche (150 mm X 95 mm x 2 mm) aufgeschleudert. Nach einer Trockenzeit von rd. sechs Wochen bei 23°C und 45% rel. Feuchtigkeit wurden die Proben im Kugelstrahlschacht geprüft. Die Abmessungen des Prüfgerätes und die Durchführung der Prüfung entsprachen DIN 53154. Das Meß klima betrug 23°C und 45% rel. Luftfeuchtigkeit. Auf das in DIN 53154, Abschnitt 5.3, genannte Abbürsten wurde verzichtet, da durch Bürsten bei einem Teil der Anstriche Kratzspuren entstanden und so eine Verfälschung der Ergebnisse zu befürchten war. Auswertung Bei DIN 53154 werden drei Kennwerte unterschieden: A: Der Anstrich bedeckt den Untergrund lückenlos. B: Weniger als 7 cm2 des Anstriches sind abgeblättert. C: Mehr als 7 cm2 des Anstriches sind abgeblättert. Bei der Prüfung einer Reihe verschiedener Anstrichtypen nach DIN 53154 wurde festgestellt, daß die Unterscheidung zwischen den etwas willkürlich gewählten Kenn werten B und C schwierig ist, weil die Fläche des abgeplatzten Anstriches nicht genau zu bestimmen war und durch das Abreiben mit der Bürste die Streuung der Ergebnisse von Parallelversuchen noch vergrößert wurde. 6 Reproduzierbarkeif der Ergebnisse Zur Beurteilung der Reproduzierbarkeit des Kugelstrahlversuchs wurden von ver schiedenen, nicht pigmentierten Anstrichen drei bis fünf Parallelproben hergestellt und gemessen. Bei diesen Anstrichproben konnten zwei Wertungsstufen gut unterschieden werden, nämlich Kennwert 1 : Die Anzahl der Kugeln, die notwendig sind, um den Anstrich gering fügig vom Untergrund loszulösen. Der Verlust der Haftung macht sich durch Weißwerden des Anstrichs bemerkbar. Kennwert 2: Die Anzahl der Kugeln, die notwendig sind, um den Anstrich gerade zu zerstören, wobei Markierungen an der Anstrichoberfläche vom Aufprall der Kugeln nicht als Zerstörung gewertet wurden. Wie aus Tab. 1 hervorgeht, ist die Reproduzierbarkeit zufriedenstellend. Lediglich bei Anstrichen auf Basis eines Leinölalkydharzes und eines plastifizierten Phenolharzes waren Schwankungen stärker. Tab. 1 Kugelstrahlprüfungen an Anstrichen (drei bis fünf Parallelproben) Bindemittel Schichtdicke Kennwert 1 Kennwert 2 (Kugeln) (Kugeln) Acrylharz, wärmehärtend 37--40 40 000 ± 2 000 87 000 ± 3 000 Phenolharz, plastifiziert 70 25 000-70 000 54 000-96 000 Vinylchlorid-MP 30 500 500 Cyclokautschuk 33 500 500 Chlorkautschuk 20 500 500 Leinölalkyd 65 5 000-7 000 35 000-53 000 Ricinenalkyd-Melaminharz 30 33 000-34 000 103 000-112 000 Epoxidharz-Aminoamidharz 5 000 ± 500 170 000-180 000 Zusammenfassung Die vorliegenden Untersuchungen über die Bestimmung der Schlagfestigkeit von Anstrichen durch Kugelstrahlversuche nach DIN 53154 ergaben unter den festgelegten Bedingungen ausreichend reproduzierbare Ergebnisse, sofern die Wertungsstufen zweckmäßig gewählt werden. Mit einer zu eng unterteilten Wertungsstufe erreicht man bei solchen verhältnismäßig ungenauen Gebrauchswertprüfmethoden keine differen ziertere Beurteilung, sondern nur stärker streuende Ergebnisse bei Parallelversuchen, also verminderte Reproduzierbarkeit. Da bei pigmentierten Anstrichen die Ablösung des Anstrichs vom Untergrund bei intaktem Film (Kenn wert 1) nicht sichtbar ist, ist es zweckmäßig, hier entweder nur den Kennwert 2 zu ermitteln oder einen eingetretenen Haftungsverlust nach Auftreffen einer bestimmten Kugelzahl durch die Gitterschnittprobe nachzuweisen. Bei schlag festen Anstrichen ist eine Prüfung mit dem Kugelstrahlschacht nach DIN 53154 sehr langwierig, so daß die Anwendung einer kontinuierlich arbeitenden Apparatur empfeh lenswert ist. Die Kugelstrahlbeanspruchung nach DIN 53154 ist eine Methode zur Prüfung der Schlagfestigkeit von Anstrichen gegen aufprallende harte, runde Körper größeren Durchmessers. Für die Beurteilung der Widerstandsfähigkeit von Anstrichen gegen 7 Schlagbeanspruchung durch scharfkantige Gegenstände oder gegen Steinschlag ist diese Methode nicht zweckmäßig. 2. Stabhärteprüfung nach WEINMANN Neben den Dämpfungs-und Eindruckmethoden werden zur Bestimmung der Anstrich härte die sogenannten Ritzhärtemethoden eingesetzt. Die Bezeichnung »Ritzhärte« ist irreführend, weil sehr weiche Anstriche eine gute Resistenz gegen ritzende oder krat zende Beanspruchung (d. h. hohe Ritzhärte) zeigen können, und sehr harte Anstriche gegenüber diesen Beanspruchungen meist sehr empfindlich sind, somit eine niedrige Ritzhärte besitzen. Es handelt sich demnach hier nicht um eine Härtemessung im wört lichen Sinn, sondern um eine Methode zur Bestimmung der Empfindlichkeit von Lackoberflächen gegen kratzende und ritzende Beanspruchung. Wie später gezeigt wird, bestehen daher keinerlei Korrelationen zwischen der sogenannten Ritzhärte und den Dämpfungs- und Eindruckhärtemeßmethoden. Über Prüfmethoden zur Bestimmung der sogenannten Ritzhärte liegt eine umfang reiche Untersuchung von W APLER [1] vor, in der die zahlreichen Schwierigkeiten bei diesen Methoden eingehend erörtert werden. Die verschiedenen Methoden unter scheiden sich im wesentlichen durch: a) Kontinuierliche oder stufenweise Veränderung der Belastung beim Ritzvorgang, b) Form des Ritzinstrumentes, c) Mechanischen oder manuellen Ritzvorgang, d) Art der Beurteilung: Eindruckspur, Anritzen, Durchritzen des Anstrichs. Von WEINMANN und Mitarbeitern [2] wurde ein einfach zu handhabender Härteprüfstab entwickelt (Härteprüfstab Typ 318, Fa. Erichsen), der zur Härtemessung an Anstrichen, vor allem auch an gekrümmten Oberflächen, vorgeschlagen wird. Ähnliche Geräte sind bereits früher von RossMANN [3] sowie von LAURIE und BAILY [4] bekanntgeworden. Das Gerät nach WEINMANN besteht aus einem Ritzgriffel, der mittels einer verstellbaren Feder mit verschiedener, definierter Kraft auf den Anstrich gedrückt werden kann. Als Maß gilt die Kraft, bei der gerade ein Eindruck auf dem Anstrich sichtbar wird. Die Reproduzierbarkeit der Meßwerte dieser Methode und ihr Anwendungsbereich wurden an einer größeren Anzahl von farblosen und pigmentierten Anstrichen aus verschiedensten Bindemitteltypen (siehe Tab. 2) untersucht. Zum Vergleich wurde die besonders in den USA häufig verwendete Bleistifthärte, ferner die Pendeldämpfung nach KöNIG und die Eindruckhärte nach PHILIPS heran gezogen. Versuchsdurchführung Die verwendeten Lacke (Tab. 2) wurden auf Spiegelglasplatten aufgeschleudert, und die Härte wurde nach der Trocknung von mehreren Personen bei einer Temperatur von 23°C und 45% rel. Luftfeuchtigkeit gemessen. Der Härtestab wurde mit der vorgeschriebenen Vorschubgeschwindigkeit von 5 bis 10 mmjsec über den Anstrich geführt. Bei der Bleistifthärteprüfung betrug die Vorschubgeschindigkeit 33 mmfsec. Reproduzierbarkeil der Meßergebnisse Wie schon W APLER (1] zeigte, kann bei anderen Ritzhärteprüfungen an die Reprodu zierbarkeit der Ergebnisse keine zu hohe Anforderung gestellt werden. Die Schwan- 8 kungsbreiten der Ergebnisse, die mit dem Härtestab erhalten werden, können bis ±20 g Belastung betragen (Abb. I*). Bei höheren Ziehgeschwindigkeiten ist die Schwankungsbreite noch wesentlich größer. Die angegebene Ritzgeschwindigkeit von 5 bis 10 mmfsec sollte daher nicht über schritten werden. Tab. 2 Zusammensetzung der für die Härtemessungen verwendeten Anstriche Lack-Nr. Bindemitteltyp 1 Melamin-Acrylharz, H20-löslich 2 Nitrocellulose-Cocosalkyd-Titandioxid 3 Polyvinylacetat 4 Phenolharz, plast. 6 Melamin-Acrylharz, H20-löslich, Titandioxid 7 Cocosalkyd-Melaminharz 8 Harnstoffharz, plast. 9 Cocosalkyd-Melaminharz, Titandioxid 10 Ricinenalkyd-Melaminharz 11 Epoxidharz-Melaminharz Da viele in der Praxis übliche Anstriche bereits bei Belastungen unterhalb von 40 g einen Eindruck zeigen, ist in diesen Fällen keine Differenzierung mehr möglich. Vergleich mit anderen Härteprüfmethoden In Abb. I ist die Bleistifthärte gegen die Stabhärte aufgetragen. Durch senkrechte und waagrechte Striche ist die Streubreite der Messungen angegeben. Aus Abb. I geht hervor, daß beim Härtestab die Meßwertschwankungen etwas größer sind als bei der Bleistifthärte. Die Reproduzierbarkeit der Bleistifthärte ist allerdings nur dann besser, wenn die Striche nicht von Hand, sondern maschinell mit gleichbleibender Belastung gezogen werden. Dagegen war die Differenzierungsmöglichkeit bei der Härteprüfung nach WEINMANN wesentlich besser als bei der Bleistifthärteprüfung. Ein Zusammenhang zwischen Bleistifthärte und Stabhärte konnte nicht gefunden werden, vermutlich deshalb, weil die Bleistifthärte nur größere Härteunterschiede erfaßt und die Stabhärte verhältnismäßig große Meßwertschwankungen zeigt. In ..1\.bb. II und III wird bestätigt, daß zwischen der Stabhärte und der Pendeldämpfung hzw. der Eindringtiefenhärte nach PHILIPS keine Beziehung besteht. Die »Ritzhärte prüfung« stellt demnach keine Härteprüfung im üblichen Sinne dar, sondern ist eine Methode zur Bestimmung der Oberflächenempfindlichkeit. Zusammenfassung Wegen der verhältnismäßig großen Meßwertschwankungen ist der beschriebene Härte maßstab nach WEINMANN vor allem zur Bestimmung der Oberflächenempfindlichkeit von relativ harten Anstrichen, wie zum Beispiel von Einbrennlacken, geeignet. Um die Meßwertschwankungen möglichst gering zu halten, ist unbedingt darauf zu achten, daß keine zu hohe Ziehgeschwindigkeit verwendet wird. Für die Durchführung ist wichtig, daß lediglich die Stahlkugel und nicht der ganze Stift den Anstrich berührt. * Die Abbildungen stehen im Anhang S. 29-36. 9 Vorteilhaft ist bei diesem Gerät, daß es auch an gekrümmten Flächen eingesetzt werden kann. Zwischen den Ergebnissen mit dem Härteprüfstab nach WEINMANN und denjenigen anderer Härtemeßmethoden bestehen keine oder nur wenig ausgeprägte Beziehungen. Literaturverzeichnis [1] WAPLER, D., Farbe und Lack, 61 (1955), S. 142-155. [2] WEINMANN, K., Farbe und Lack, 68 (1962), S. 323-326. [3] WrLBORN, F., Physikalische und technische Prüfverfahren für Lacke und ihre Rohstoffe, Bd. li, 1953, S. 474. l4] GARDNER, H. A., und G. G. SwARD, Paint Testing Manual, 12. Ausgabe, 1962, S. 129. 10