Techniki pomiaru przyczepności i odporności na ścieranie powłok i farb – część 2

Techniki pomiaru przyczepności i odporności na ścieranie powłok i farb – część 2

To druga część dwuczęściowego cyklu o technikach pomiaru przyczepności i odporności na ścieranie powłok i farb. Niniejsza część dotyczy odporności na ścieranie, w tym nowych urządzeń i technik pomiarowych.

Jak omówiono w części 1 „Przyczepność” – Plastics Decorating „Technology Feature”, styczeń/luty 2005, przyczepność i odporność na ścieranie utwardzonych powłok i farb to dwie kluczowe właściwości użytkowe. Właściwości te mogą być współzależne, lecz często się wykluczają. Oznacza to, że utwardzone powłoki i farby mogą wykazywać dobrą przyczepność i słabą odporność na ścieranie albo słabą przyczepność i dobrą odporność na ścieranie. Prawidłowe badanie i zrozumienie przyczepności oraz ścierania zapewnia zgodność ze specyfikacjami i jest nieocenione przy rozwiązywaniu problemów z powłokami i drukiem. Identyfikacja mechanizmu uszkodzenia – przyczepność (kohezja), ścieranie lub oba – decyduje o rozwiązaniu procesowym. Artykuł omawia kilka różnych metod badań i przyrządów. Wśród nich jest nowy ścieracz liniowy firmy Taber Industries, przeznaczony do oceny rzeczywistych kształtów wyrobów o powierzchniach profilowanych, a także próbek płaskich. Zaawansowane techniki pomiarowe, takie jak opisane w artykule, pomagają producentom osiągać doskonałą wydajność produktów i doskonałość procesów na poziomie Six Sigma.

Kluczowe wnioski

• Ścieracz liniowy bada rzeczywiste kształty wyrobów – wypukłe, wklęsłe lub płaskie – podczas gdy ścieracz obrotowy wymaga płaskich próbek.
• Papier ścierny starzeje się podczas przechowywania. Nie należy kupować go na więcej niż sześć miesięcy użytkowania; stary papier chłonie wilgoć i słabiej ściera.
• Normy ASTM D4060, D6037, F1478, SAE J365 i Ford BN108-02 odwołują się do ścieracza obrotowego Taber.
• Wyniki uzyskuje się z ubytku masy, liczby cykli lub wizualnego przetarcia do kontrastowej warstwy spodniej.
• Mocowanie wyrobu leży po stronie użytkownika. Nie ma uniwersalnej normy mocowania; liczy się sztywne ułożenie podczas badania.

Często zadawane pytania

Czy ścieranie można badać na wyrobach zakrzywionych lub profilowanych?

Tak, za pomocą ścieracza liniowego. Wymienne nasadki montuje się na swobodnie pływającym wałku wielowypustowym, który unosi się i opada, dzięki czemu nasadka podąża za konturem wypukłym, wklęsłym lub płaskim. Tradycyjny ścieracz obrotowy nie pozwala bezpośrednio badać geometrii profilowanych.

Jak długo papier ścierny nadaje się do użycia?

Technicy zalecają nie kupować go na więcej niż sześć miesięcy użytkowania. Stary papier ściera słabiej, ponieważ chłonie wilgoć, dlatego należy go przechowywać w chłodnym i suchym miejscu. Orientacyjnie papier o szerokości 11/16 cala na rdzeniu 2 cale wystarcza na około 1800 cykli, a rolka taśmy poliestrowej 1/4 cala na około 3400 cykli.

Które normy ASTM dotyczą badania ścierania powłok?

Na ścieracz obrotowy Taber powołują się norma ASTM D4060 dla powłok organicznych, D6037 dla odporności na zarysowanie przy ścieraniu na sucho powłok wysokopołyskowych oraz F1478 dla obrazów z kopiarek i drukarek, a także SAE J365 i Ford BN108-02. Ścieracz Norman Tool spełnia wymagania ASTM F2357 dla przełączników membranowych.

Jak określa się ilościowo wyniki badania ścierania?

Na podstawie ubytku masy przy określonej liczbie cykli, liczby cykli wymaganych do usunięcia jednostki grubości powłoki lub wizualnie względem ustalonych wzorców, gdy powłoka została przetarta do podłoża lub kontrastowej warstwy. Przed badaniem powłoki muszą być w pełni utwardzone.

Jak mocować wyrób do liniowego badania ścierania?

Ze względu na różnorodność badanych wyrobów nie ma uniwersalnej normy. Użytkownik dobiera odpowiedni uchwyt lub przyrząd mocujący – czasem standardowe imadło, czasem coś bardziej rozbudowanego. Zasadniczy wymóg to sztywne utrzymanie wyrobu przez cały czas badania.

Metody badania ścierania

Istnieje wiele metod badania ścierania i podobnie jak w badaniach przyczepności każda firma musi zdecydować, która metoda (lub które metody) najlepiej ocenia jej konkretny wyrób. Wiele branż powołuje się na określone wymagania ASTM zależnie od zastosowania rynkowego wyrobu. Norman Tool Abrader jest oryginalnym producentem znanego testera ścierania „RCA”. Od 1964 roku Norman Tool, Inc. produkuje, dystrybuuje i eksportuje testery ścierania i zużycia służące do badania odporności na ścieranie i zużycie lakierowanych lub galwanizowanych organicznych wykończeń, folii oraz nadrukowanych oznaczeń klawiatur. Są powszechnie stosowane w przemyśle motoryzacyjnym, sprzętu AGD, telefonów komórkowych i powłok na tworzywach sztucznych. Z biegiem lat system był stale ulepszany pod kątem dokładności i łatwości użycia.

Ten przyrząd jest testerem ścierania punktowego i pozwala badać rzeczywiste wyroby płaskie i wklęsłe. Obciążniki mają 55 g, 175 g i 275 g. Zasada działania i cel badania polegają na przetarciu nałożonego wykończenia na dowolnym podłożu pod obciążeniem. Punktem przetarcia jest moment, w którym pojawia się skaza lub przetarcie wierzchniej powłoki, odsłaniające drugą powierzchnię lub powłokę o kontrastowym kolorze lub odcieniu. Sposób pracy: próbkę z powłoką do ścierania umieszcza się w uchwycie przymocowanym do płyty podstawy testera tak, aby nie przesuwała się podczas ścierania. Następnie materiał ścierny, czyli papier, przeprowadza się przez maszynę i mocuje do zespołu wałka nawijającego. Po zakończeniu ustawień licznik zeruje się i włącza silniki, rozpoczynając cykl badania. Przy zadanej liczbie cykli maszynę zatrzymuje się, a pionowy wałek unosi w celu oceny badanego miejsca. Maszynę można także uruchomić w trybie ciągłym. Każda płytka próbki wysyłana klientom na całym świecie jest wstępnie weryfikowana pod kątem dokładności i powtarzalności na podstawie wzorcowego testera „Master RCA Abrasion Wear Tester” firmy Norman Tool.

Niektórzy technicy stanowczo zalecają, aby nie kupować papieru na więcej niż sześć miesięcy użytkowania. Stary papier ściera słabiej, ponieważ chłonie wilgoć. Papier należy przechowywać w chłodnym, suchym otoczeniu. Papier o szerokości 11/16” i średnicy zewnętrznej 8” na rdzeniu 2”, nieolejony, wystarcza na około 1800 cykli. Taśma papierowa – rolka taśmy poliestrowej o szerokości 1/4” – wystarcza na około 3400 cykli. Papier można nabyć wyłącznie od Norman Tool. Ścieracz Norman Tool spełnia wymagania ASTM F 2357 – standardowych metod badań do określania odporności na ścieranie farb i powłok na przełącznikach membranowych za pomocą ścieracza „RCA” Norman Tool. Norman Tool ma nowy pneumatyczny przyrząd do badania palcem.

Taber Industries produkuje przyrządy do badania ścierania i zużycia od 1941 roku. Oryginalny ścieracz obrotowy Taber (pokazany poniżej) przeznaczony jest do badania próbek płaskich ze stałą prędkością, w tym lakierowanych, powlekanych lub zadrukowanych. Wyrobów o geometrii profilowanej nie można badać bezpośrednio za pomocą tego urządzenia.

Próbki zamocowane na obrotowym stole poddawane są ścierającemu działaniu obciążonych kół ściernych. Koła napędzane przez próbkę pozostawiają ślady ścierania tworzące wzór przecinających się łuków na pierścieniu kołowym.

Odporność na ścieranie można obliczyć na podstawie ubytku masy przy określonej liczbie cykli ścierania, jako liczbę cykli wymaganych do usunięcia jednostkowej grubości powłoki lub wizualnie, na podstawie ilości usuniętej powłoki w porównaniu z ustalonymi wzorcami. Aby wyniki były dokładne, powłoki lub farby na próbkach muszą być w pełni utwardzone. Ponadto opisano procedury właściwego przygotowania powierzchni kół przed każdą próbą.

Do ścieracza obrotowego odwołuje się wiele norm, m.in. ASTM D 4060 – standardowa metoda badania odporności powłok organicznych na ścieranie ścieraczem Taber, ASTM D 6037 – standardowe metody badania odporności na zarysowanie przy ścieraniu na sucho powłok wysokopołyskowych, ASTM F 1478 – standardowa metoda określania odporności na ścieranie obrazów wytwarzanych przez kopiarki i drukarki (metoda Taber), SAE J365 – metoda badania odporności materiałów wykończeniowych na wycieranie oraz metoda badawcza Ford Motor Company BN108-02 – odporność na ścieranie, ścieracz Taber.

Najnowszą generacją maszyn do badania ścierania jest liniowy ścieracz Taber model 5700 (pokazany po lewej). Ten nowy ścieracz liniowy opracowano, aby umożliwić badanie rzeczywistych wyrobów.

W ruchu posuwisto-zwrotnym liniowym wymienne nasadki montuje się na końcu swobodnie pływającego wałka wielowypustowego. Podczas cyklu ramienia wałek unosi się lub opada tak, że nasadka podąża za konturami wyrobu – wypukłymi, wklęsłymi lub płaskimi.

Taber Industries wprowadził niedawno nową wersję swojego ścieracza liniowego, model 5750. Dodano wiele nowych i zaawansowanych funkcji, w tym: a) wyświetlacz cyfrowy, b) laserowe naprowadzanie, c) minimalne obciążenie 60 g, d) zmienną prędkość skoku 2–75 z sześcioma zaprogramowanymi przyciskami oraz e) nowe nasadki zwiększające wszechstronność badań.

Z użyciem standardowych materiałów kół Taber odporność na zużycie materiałów, w tym tworzyw sztucznych, bada się w ruchu liniowym. Podobnie jak w przypadku ścieracza obrotowego Taber, Wearaser™, materiał należy przed użyciem odświeżyć (refacing). Modele maszyn 5700/5750 mają automatyczny programowalny tryb odświeżania (Reface).

Długość skoku, prędkość i obciążenie można dostosować do dowolnego badania. Programowalne sterowanie umożliwia badanie do zadanej liczby cykli skoku lub w trybie ciągłym do usunięcia powłoki/druku. Uniwersalna głowica mocująca pozwala wybrać materiał ścierny z certyfikatem ASTM lub zastosować własny materiał ścierny, właściwy dla danej branży. Ścieracze liniowe modele 5700/5750 można skonfigurować także do prób zarysowania, wycierania, monety (Dime, Nickel itp.) oraz crockmetru. Podobnie jak w wielu testerach ścierania wyniki można określić na podstawie ubytku masy lub wzorców wizualnych, gdy powłoka powierzchniowa została starta do materiału podłoża lub jego części (przetarcie).

Crock (przenoszenie koloru) polega na ocenie tkaniny crockowej pod kątem ilości koloru przeniesionego na tkaninę i jest ujęty w ASTM D 6279 – standardowej metodzie badania odporności na ścieranie przez tarcie powłok wysokopołyskowych oraz w ASTM F 1319 – standardowej metodzie określania odporności na ścieranie i rozmazywanie obrazów wytwarzanych przez produkty do kopiowania biurowego. Taber dąży obecnie do uzyskania dodatkowych certyfikatów ASTM dla ścieraczy liniowych modele 5700/5750.

Ze względu na różnorodność wyrobów, które można badać na ścieraczu liniowym, nie ma uniwersalnej normy mocowania wyrobu w pozycji badania. Użytkownik końcowy dobiera odpowiedni uchwyt lub przyrząd mocujący do wyrobu. W niektórych przypadkach stosuje się standardowe imadło. Dla innych wyrobów mogą być potrzebne bardziej rozbudowane przyrządy mocujące. Istotne jest, aby wyrób pozostawał w sztywnej pozycji podczas badania.

Oprócz testera ścierania Norman RCA oraz ścieraczy obrotowego i liniowego Taber omówionych w tym artykule w katalogach i literaturze branżowej można znaleźć niezliczone przyrządy do badania przyczepności i ścierania. Te międzynarodowo uznane metody obejmują ASTM D 3363 – standardową metodę badania twardości powłoki metodą ołówkową; tester zarysowania i przyczepności z belką wagową do ASTM D 2197 – standardowej metody badania przyczepności powłok organicznych przez zarysowanie oraz D5178-98(2002) – standardowej metody badania odporności powłok organicznych na zarysowanie; a także badanie ścierania ABREX® zadrukowanych/powlekanych powierzchni pod wpływem różnych płynów (pot, balsam, oleje) poprzez symulowany ruch kontaktu palca/dłoni zgodnie z DIN EN 60068-2-70. ABREX® to nowy przyrząd, o którym w chwili pisania tego artykułu dostępne były ograniczone informacje.

Oprócz tych badań wiele firm opracowuje własne procedury z użyciem zaawansowanych cyfrowych systemów badawczych, takich jak urządzenia Com-Ten i Instron, uwzględniając wiele metod z procedur ASTM. Zależnie od przeznaczenia wyrobu badania użytkowe mogą obejmować także badania odporności chemicznej i na rozpuszczalniki, zanurzenie w wodzie z następującym po nim badaniem taśmą, badania w zmywarce i pralce itp. Firmy często stosują wiele metod badawczych podczas rozwoju i produkcji wyrobu.

Normy badawcze i doskonałość procesów

Wiele firm stosuje niektóre z omówionych w tym artykule metod badań z konieczności, tzn. aby zdobywać zlecenia, wykazując, że ich procesy produkcyjne spełniają określone normy branżowe. Niestety producenci często nie wiedzą o problemach z uszkodzeniami w eksploatacji, dopóki klienci nie zwrócą niezgodnych wyrobów. Domyślnie za wszystko obwinia się „słabą przyczepność”. Dzięki właściwemu zrozumieniu wielu możliwych przyczyn uszkodzeń związanych z przyczepnością i ze ścieraniem inżynierowie mogą zręcznie identyfikować kluczowe przyczyny źródłowe i wdrażać działania korygujące.

Badania nie powinny być zarezerwowane wyłącznie dla rozwoju wyrobu i wyszukiwania usterek. Ciągłe badanie wyrobów w linii produkcyjnej z użyciem przedstawionych metod i technik oraz technik Six Sigma zapewni solidną produkcję.

Podziękowania

• American Society of Testing and Materials International
• BYK Gardner
• Gardner Company
• Norman Tool, Inc
• Taber Industries

Scott R. Sabreen jest założycielem i prezesem The Sabreen Group, Inc. (TSG). TSG to globalna firma inżynieryjna specjalizująca się we wtórnych procesach przetwórstwa tworzyw sztucznych – obróbce wstępnej powierzchni, klejeniu, zdobieniu i wykańczaniu, znakowaniu laserowym oraz bezpieczeństwie produktu. Więcej informacji: bezpłatna infolinia (888)-SABREEN lub strony www.sabreen.com i www.plasticslasermarking.com.

---