ASTM D7027-20 Standardprüfverfahren zur Bewertung der Kratzfestigkeit von Polymerbeschichtungen und Kunststoffen mit einer instrumentierten Kratzmaschine

Der von der American Society for Testing and Materials (ASTM) veröffentlichte Standard „ASTM D7027-20 Standardtestmethode zur Bewertung der Kratzfestigkeit von Polymerbeschichtungen und Kunststoffen unter Verwendung einer instrumentierten Kratzmaschine“ beschreibt eine Labortestmethode, bei der eine instrumentierte Kratzmaschine verwendet wird, um unter kontrollierten Bedingungen Oberflächenschäden zu erzeugen und zu messen. Mit dieser Prüfmethode kann die Kratzfestigkeit von Polymeren durch die Messung mehrerer wichtiger Materialparameter charakterisiert werden. Der Prozess des Auslösens der Zeichnung und der Datenerfassung ist automatisiert, um benutzerinduzierte Einflüsse zu vermeiden, die die Ergebnisse beeinflussen könnten.

Für die Zwecke dieser Norm gelten zusätzlich zu den in ASTM D883 und ASTM E456 angegebenen Begriffen und Definitionen die folgenden Definitionen:

• Bei der ASV-Software (Automatic Scratch Visualization) handelt es sich um ein Computerprogramm, das die Identifizierung von Fehlerpunkten in Belastungstests durch den Vergleich von Fehlerkriterien automatisiert. Die ASV-Software erkennt einen Fehler, wenn es zu einer kontinuierlichen Kontraständerung zwischen der Kratzspur und der unbeschädigten Materialoberfläche kommt. Das Kontinuitätskriterium ist als ein Bereich definiert, der dem doppelten Durchmesser des Kratzstifts entspricht und dessen Länge zu 2 Prozent oder mehr das Kontrastkriterium überschreitet. Als Versagenspunkt gilt der niedrigste Belastungspunkt, bei dem es zu einer kontinuierlichen Kontrastansammlung auf dem Kratzer kommt. Dieses Programm ist für die visuelle Analyse des Tests nützlich und kann auch für andere Anwendungen wie etwa Bestehens-/Nichtbestehenskriterien für die Kratzersichtbarkeit verwendet werden.
• Unter kritischer Normallast versteht man die Normallast, bei der das Material in der Kratzspur erstmals versagt.
• Unter Normallast versteht man die Last, die vertikal nach unten, senkrecht zur Oberfläche der Probe, auf den Anreißer ausgeübt wird.
• Der Versagenspunkt ist der Punkt, an dem die Belastungen mit dem Kratzpfad verbunden sind und an dem eine Oberflächenbeschädigung zunächst als nicht akzeptabel gilt.
• Der Reibungskoeffizient drückt das Verhältnis von Tangentialkraft zu Normallast aus.
• Unter der Kratztiefe versteht man den vertikalen Abstand, gemessen von der Rille der Kratzrille bis zur intakten Probenoberfläche oder den Spitzen der Kratzspur.
• Unter Kratzfestigkeit versteht man die Fähigkeit des Materials, Schäden standzuhalten, die durch starke Verformungen entstehen, die typischerweise mit der Scherbeanspruchung von Vorsprüngen einhergehen, beispielsweise durch Kompression, Pflügen und Scheren. Die Quantifizierung der Kratzfestigkeit kann durch Messen der kritischen Normallast, der Kratztiefe, der Kratzbreite und anderer geometrischer oder optischer Merkmale des Kratzers erfolgen.
• Die Kratzerbreite ist der horizontale Abstand zwischen zwei Spitzen auf beiden Seiten der Kratzerrille.
• Beim Kratzen handelt es sich um den Vorgang der Oberflächenverformung (Verschiebung oder mechanische Entfernung von Material oder beides), der durch das Gleiten einer oder mehrerer Unebenheiten oder Vorsprünge oder beides entlang der Oberfläche verursacht wird.
• Die Tangentialkraft ist die Kraft, die an der Schnittstelle zwischen Kratzspitze und Probe entgegen der Bewegungsrichtung der Kratzspitze wirkt.
• Weißwerden ist ein Phänomen, das durch Lichtstreuung aufgrund von Oberflächenverformungen infolge des Kratzvorgangs auftritt und dazu führt, dass die Kratzspur heller oder weißer wird als die intakte Hintergrundoberfläche.

Bei dieser Testmethode werden mithilfe einer automatisierten Kratzmaschine kontrollierte Kratztests an Polymerproben durchgeführt. Es werden zwei grundlegende Testmodi (Testmodi A und B) vorgestellt.

• Prüfmodus A: Auf der Probenoberfläche wird ein Kratzer mit einer konstanten Kratzgeschwindigkeit von 2 m/s plus/minus 50 m/s, in einem Abstand von 0,1 m plus/minus 0,0001 m und unter einer von 0,1 auf 0,0005 N ansteigenden Normallast angebracht. Ziel dieses Prüfmodus ist die Ermittlung der kritischen Normallast für das Versagen eines Materialsystems. Test A gilt als gültig, wenn der Fehlerpunkt im zweiten oder dritten Quadranten der Testlänge auftritt. Bei Materialien, die in diesem Bereich nicht versagen, kann der Lastbereich variiert werden, um sicherzustellen, dass der Versagenspunkt in der Mitte des Kratzpfads auftritt.
• Prüfmodus B: Auf der Probenoberfläche wird in einem Abstand von 0,1 m plus/minus 0,0001 m ein Kratzer mit einer konstanten Kratzgeschwindigkeit von 0,1 m/s plus/minus 0,0005 m/s und einer konstanten Normallast von 30 N plus/minus 0,1 N angebracht. Dieser Prüfmodus dient dazu, die lastabhängige gleichmäßige Reaktion des Materials zu bewerten und den Kratzreibungskoeffizienten zu bestimmen. Wenn 30 N nicht ausreichen, um eine Beschädigung der Probe zu verursachen, kann der Dauerlastwert erhöht werden.

Die zerkratzte Oberfläche kann einer Sichtprüfung unterzogen werden. Alternativ können Bewertungsinstrumente verwendet werden, um die Oberflächenschäden zu untersuchen. Für den Testmodus A wird die kritische Normallast durch den für diesen bestimmten Test ermittelten Versagenskriteriumspunkt bestimmt. Zur Quantifizierung der Kratzfestigkeit können auch Messungen der Kratzerbreite oder -tiefe oder beider durchgeführt werden. Mithilfe der ASV-Software kann die Messung der Fehlerstelle zur Kratzersichtbarkeit automatisiert werden.

Aus den im Versuch erfassten Tangentialkraft- und Normallastdaten kann zur Materialcharakterisierung der Ritzreibungskoeffizient berechnet werden.

Kratztests werden an Proben zu folgenden Zwecken durchgeführt:

• Zur Bewertung der Kratzfestigkeit eines bestimmten Materials
• Rangfolge der relativen Kratzfestigkeit verschiedener Materialien
• Bestimmung des Kratzreibungskoeffizienten von Materialien

Da die mechanischen Eigenschaften von Polymeren stark von der Temperatur abhängen, ist der hierin bereitgestellte Teststandard darauf ausgelegt, reproduzierbare Ergebnisse zu liefern, wenn Benutzer Tests an Proben desselben Materials und derselben Oberflächenstruktur unter ähnlichen Testbedingungen durchführen und diese denselben Konditionierungsverfahren unterziehen.

Einige Polymere sind aufgrund ihrer viskoelastischen und entspannenden Eigenschaften selbstheilend (rückbildbar), wenn sie Kratzern oder anderen physikalischen Deformationen ausgesetzt sind. Es ist wichtig, den Unterschied zwischen sofortigen (sofern leicht messbaren) und dauerhaften Kratzschäden zu beachten und die Ergebnisse entsprechend zu vergleichen, um die Wiederholbarkeit sicherzustellen. Angesichts der Tiefe des bleibenden Kratzers wird empfohlen, 24 Stunden Zeit für die viskoelastische Erholung einzuplanen.

Das Weißwerden von zerkratzten Oberflächen ist ein erheblicher Schadensmechanismus, der in der Automobilindustrie und anderen Anwendungen, bei denen die Ästhetik der Oberfläche wichtig ist, große Besorgnis hervorruft. Diese Art von Schäden sind unerwünscht, da sie für das menschliche Auge sichtbar sind. Die kritische Normallast, bei der dieses Phänomen auftritt, dient als Kriterium für die Einstufung der Materialleistung, insbesondere aus ästhetischer Sicht.

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