Оценка механических характеристик порошковых покрытий

Эта статья посвящена оценке характеристик поверхностей с порошковым покрытием. В частности, мы рассмотрим методы испытаний, применяемые для оценки механических характеристик покрытий. В контексте механических характеристик речь идет о том, что происходит, когда на покрытие воздействуют внешние силы, включая деформацию и поверхностную коррозию. Механические характеристики покрытия включают два свойства; первое – это характерные свойства покрытия, заданные производителем порошка, второе – правильно ли нанесено и отверждено покрытие.

Перед оценкой механических характеристик необходимо измерить толщину покрытия. В стандартных толщиномерах используется либо магнитный метод измерения (для подложек на основе черных металлов), либо метод вихревых токов (для цветных металлов).

АДГЕЗИЯ

Перед оценкой механических характеристик порошкового покрытия сначала целесообразно определить адгезию. Если покрытие не прилипает к подложке, ситуация кардинально меняется. Ударная прочность будет низкой, измерение твердости может оказаться неточным, кроме того, это может отрицательно повлиять на абразивную стойкость. В стандарте ASTM D3359 (Измерение адгезии методом клейкой ленты) описывается две методики. В стандарте ASTM D3359A рекомендуется делать простой X-образный надрез покрытия с помощью острого лезвия. Чтобы обеспечить точность разреза, важно использовать новое чистое лезвие. Затем контрольную ленту приклеивают к X-образному разрезу и быстро отрывают от поверхности.

Более сложный метод испытания адгезии описан в стандарте ASTM D3359B. Этот метод предполагает нанесение поперечных надрезов (сетка размером 6 x 6 или 11 x 11 надрезов). Надрезы можно делать острым лезвием или специально разработанным устройством с несколькими режущими кромками.

Рисунок 1. Стандарт ASTM D3359B (Измерение адгезии методом клейкой ленты) содержит следующую градацию (от большего к меньшему): адгезия 1B, 3B и 4B.

Равное количество надрезов выполняют параллельно, затем под углом 90° к первой группе надрезов для получения решетки. Участок с надрезами очищают щеткой и наклеивают на него ленту. Ленту быстро отрывают и исследуют контрольную область на предмет адгезии. Стандарт ASTM содержит бальную систему оценки с изображениями для классификации адгезии от уровня 5B (100% адгезия) до уровня 0B (0 – 35% адгезии).

Стандарт ISO 2409 содержит методику испытания, подобную ASTM D3359B. Интересно, что в системе оценки этого международного стандарта используются значения, противоположные стандарту ASTM.

Оценка “0” указывает на 100% адгезию, а значения от “1” (потеря 5%) до “5” (потеря 100%) определяют градацию адгезии по мере ухудшения.

Поэтому важно точно указывать метод испытания при составлении отчета о результатах.

Испытание на адгезию во влажном состоянии – это другой, более агрессивный подход, а методы испытания зависят от условий применения и ожидаемых характеристик покрытия. Для покрытий трубопроводов применяется испытание, описанное в канадской спецификации CSA Z245.20. Это испытание предполагает погружение образца с покрытием в водопроводную воду с температурой 73° C на 24 часа, затем извлечение его из воды и вырезание прямоугольника размером 30 x 15 мм. Адгезия измеряется при попытке оторвать покрытие от подложки с помощью ножа. В другом методе испытания адгезии во влажном состоянии сначала делается X-образный надрез в покрытии, а затем образец погружается в воду с температурой 90° C на 2 часа. Если после такого воздействия покрытие отслоилось, адгезия слабая. Мне нравится использовать этот метод при испытании особо сложных подложек, таких как нержавеющая сталь и полированный алюминий.

ЭЛАСТИЧНОСТЬ

Особый интерес представляет характеристика покрытия с точки зрения сопротивления деформации. Некоторые люди считают испытание на ударную прочность (ASTM D2794) золотым стандартом в измерении эластичности. В действительности, не бывает единого ответа на все вопросы. Сначала обсудим факторы, влияющие на эластичность. Толщина и пластичность подложки оказывают существенное влияние на эластичность покрытия. Например, крупнокалиберная сталь деформируется меньше, чем более тонкая сталь, поэтому при равных условиях покрытие испытывает меньшее напряжение.

Рисунок 2. В стандарте ASTM D-2794 используется шарик радиусом 1,5875 см (0,625 дюйма) и весом 1,8 кг (4,0 фунта).

Кроме того, на эластичность может влиять толщина покрытия. Более тонкие пленки почти всегда более эластичны, чем толстые, поэтому важно обеспечивать толщину покрытия в соответствии со спецификацией. Еще один фактор – это температура; теплые покрытия обычно более эластичны, в то время как холодные покрытия более подвержены растрескиванию под напряжением. В некоторых спецификациях для испытания на деформацию требуются отрицательные температуры. Важно проводить испытания при заданной температуре.

Еще один аспект: разные металлы (особенно сплавы) обладают разной пластичностью. Поэтому алюминий калибра 20 марки 3003 деформируется значительно больше, чем низкоуглеродистая сталь калибра 20 марки 1008. Таким образом, ударное воздействие в 11.298 ньютон-метр (100 дюйм-фунт) деформирует алюминий марки 3003 значительно больше, чем сталь марки 1008 такой же толщины.

БЫСТРАЯ ДЕФОРМАЦИЯ

Самым распространенным испытанием на эластичность покрытия является испытание на быструю деформацию под воздействием ударной нагрузки (Стандарт ASTM D2794 Стандартный метод испытаний для определения устойчивости органических покрытий к воздействию быстрой деформации (удару)). В Северной Америке испытание проводится следующим образом: груз весом 1,8 кг (4,0 фунта) и радиусом 1,5875 см (0,625 дюйма) поднимается над точкой контакта в калиброванной трубе и падает на поверхность с покрытием. Значение, равное расстоянию (высота), умноженному на вес, определяет силу (дюйм-фунт). Ударное воздействие создает углубление в подложке/покрытии. Разрушение определяется максимальной силой, которая не вызвала растрескивания покрытия. Ударопрочность можно измерить посредством воздействия груза со стороны покрытия (прямой удар) или со стороны подложки (обратный удар). В стандарте ISO 6272 для испытания на ударопрочность используется шарик диаметром 20 мм и весом 1,0 кг. Ударное воздействие рассчитывается в Нм (Ньютон-метр).

Испытание на ударную прочность по методу Гарднера (Метод 6226 – Федеральный стандарт испытания 141B) чаще всего применяется в аэрокосмической промышленности.

В этом испытании также используется падающий груз, как и в стандарте ASTM D2794, однако ударный боек имеет две стороны, каждая из которых имеет четыре ударных механизма различных радиусов.

Используя обе стороны, можно определить воздействие 0,5 – 60% растяжения при испытании подложки из алюминия марки 2024.

Испытание на ударопрочность используется для определения внутренней устойчивости поверхности покрытия к неожиданному механическому удару. Несмотря на некоторую неточность, его также можно использовать для оценки отверждения. Большинство порошковых покрытий не достигают максимальной ударопрочности, пока покрытие полностью не сшито.

Таблица 1. Методы испытания на адгезию и деформацию.

МЕДЛЕННАЯ ДЕФОРМАЦИЯ

Для измерения характеристик удлинения покрытия используются испытания на медленную деформацию. Эти испытания обычно необходимы, если покрытие подвергается дополнительному формованию после отверждения.

Листовой материал с покрытием иногда приходится закреплять или загибать для соединения листов в сборке. Испытание на медленную деформацию определяет, выдержит ли покрытие напряжение такого рода. В иных случаях медленная деформация представляет собой еще одну характеристику, иллюстрирующую прочность покрытия.

Рисунок 3. Такое цилиндрическое приспособление используется для самого простого испытания на медленную деформацию в соответствии со стандартами ASTM D-522 и ISO 1519.

Простейшее испытание покрытия на медленную деформацию описано в стандарте ASTM D522. Испытательные пластины с покрытием закрепляются и изгибаются вокруг стержня или оправки заданного диаметра. Затем покрытие проверяется на предмет растрескивания и потери адгезии. Более сложный вариант – это испытание путем изгиба вокруг конического стержня, которое проводится аналогично, но стержень по сути является конусом, размеры которого обычно варьируются от 0,12 до 1,5 дюйма (3,2 до 38,1 мм). Успешное прохождение испытания определяется наименьшим диаметром, при котором покрытие не проявляет признаков растрескивания.

Испытания на T-образный изгиб обычно проводятся для образцов с предварительным покрытием и последующим формованием. Методика проведения испытания описана в стандарте ASTM D4145 (ISO 17132). Обычно испытательную пластину с покрытием изгибают или складывают под углом 180°.

Первый изгиб ‘”0-T” соответствует нулевой толщине пластины между двумя наружными поверхностями пластины. Изогнутый край покрытия проверяют на наличие трещин.

Если на поверхности покрытия нет трещин, прочность покрытия соответствует “0-T”. Если есть трещины, то образец снова изгибают на 180°, что дает одинарную толщину пластины между наружными поверхностями испытательной пластины.

Рисунок 4. Оправка конической формы соответствует методам испытания ASTM D-522 и ISO 6860.

Это состояние выражается как “1-T”. Поверхность с покрытием проверяется на наличие трещин. Образец повторно складывается под углом 180° до тех пор, пока на покрытой поверхности не будут обнаружены трещины. Результат испытания выражается как количество “толщин” между двумя наружными поверхностями пластины без трещин в покрытии.

Другая методика испытания на медленную деформацию описана в стандарте ISO 1520 Лаки и краски – Испытание на глубокую вытяжку. Этот метод испытания широко распространен в Европе, он заключается в медленном вдавливании закрепленных испытательных пластин с покрытием с помощью полусферы диаметром 20 мм. Точка отказа определяется при появлении трещины на покрытии. В этом испытании также важны вышеупомянутые аспекты, связанные с видом металла, калибром и температурой. Для данного метода испытания используются как ручные, так и автоматические приборы.

Для определения начальной точки растрескивания рекомендуется использовать лупу.

В отрасли покрытий для трубопроводов используют испытание на медленную деформацию, описанное в стандарте CSA Z245.20. Для его проведения требуется стальной образец размером 25 x 200 x 6,4 мм с эпоксидным порошковым покрытием толщиной не менее 300 микрон (12 мил). Испытательный стержень с покрытием охлаждают до -30° C как минимум в течение часа, а затем деформируют с помощью оправки в гидравлическом прессе. Этот процесс гибки должен выполняться в течение 10 секунд после охлаждения образца.

ТВЕРДОСТЬ

Способность финального покрытия противостоять царапанию и истиранию характеризуется как твердость. Измерение твердости порошкового покрытия можно выполнять различными методами: от простого испытания царапанием с помощью карандаша до испытания по времени затухания маятника. Самое распространенное и простое испытание – это определение твердости пленки методом царапания карандашом согласно стандарту ASTM D3363.

Рисунок 5. Самое распространенное и простое испытание на твердость – это испытание методом царапания карандашом в соответствии со стандартом ASTM D3363.

Этот метод основан на использовании карандашей различной твердости: от 6B (самый мягкий) до 6H (самый твердый). Карандаш затачивают так, чтобы грифель выступал примерно на 0,635 см (0,25 дюйма) и имел плоскую кромку. Цилиндрическую часть грифеля прижимают к покрытию под углом 45° и проводят с равномерным нажимом. Твердость карандаша может оцениваться по устойчивости к “царапинам” или “выемкам”. Результат испытания определяется самым твердым карандашом, который не оставляет на поверхности «царапину» или «выемку». Это испытание можно проводить с помощью деревянных или механических карандашей. Я предпочитаю деревянные, поскольку механические карандаши зачастую теряют способность удерживать грифель и дают ложноположительные результаты. Из всех испытаний на твердость этот метод дает наиболее изменчивые результаты, поскольку они зависят от нажима, который прикладывает специалист, производителя и качества карандаша (грифеля).

Рисунок 6. Твердость по карандашной шкале.

Поэтому рекомендуется использовать специальный держатель для карандаша, похожий на салазки, который можно приобрести у некоторых поставщиков оборудования для нанесения покрытий, а также хранить карандаши в сухом, прохладном помещении и ежегодно менять их.

Другой вид измерения твердости, который включает воздействие на покрытую поверхность, – это испытание на микровдавливание. Для порошковых покрытий чаще всего применяется метод определения твердости по Кнупу, описанный в стандарте ASTM E384. Сущность метода заключается во вдавливании взвешенного (обычно 100 грамм) наконечника в виде пирамиды в поверхность с покрытием в течение определенного времени.

Затем отпечаток, оставшийся на поверхности образца, исследуется под микроскопом, его длина соотносится с глубиной и преобразуется в значение твердости по Кнупу.

Один из лучших методов измерения твердости поверхности основан на оценке затухающих колебаний маятника. В стандартах ASTM D4366 и ISO 1522 описан этот метод испытаний, в котором измеряют качание маятника, имеющего точку соприкосновения с окрашенной поверхностью. Принцип основан на том, что более мягкая поверхность обеспечивает большее затухание и, соответственно, меньшее число колебаний маятника. Число колебаний маятника определяют при его отклонении от перпендикуляра на угол от 6° до 3° (Кениг) или от 12° до 4° (Персоз). В протоколе Кенига используются опорные шарики весом 200 грамм и диаметром 5 мм, в то время как в методе Персоза применяются шарики весом 500 грамм и диаметром 8 мм. Подсчет колебаний в этом испытании выполняется полностью автоматически с помощью фотодатчиков, поэтому оно не зависит от оператора.

Еще один метод измерения твердости, описанный в стандарте ASTM D2134, предполагает использование маятникового твердомера Сварда. Принцип определения твердости органических покрытий такой же, как и в других маятниковых методах испытаний, однако в маятнике Сварда используется точно откалиброванное колесо с двумя пузырями для подсчета колебаний. Более мягкие поверхности быстрее уменьшают амплитуду колебаний, поэтому увеличение твердости наблюдается при большем числе колебаний. Важно убедиться, что испытательный прибор располагается на ровной поверхности, не подвержен вибрациям и другим помехам, которые могут повлиять на проведение испытания.

Механические испытания поверхностей с порошковым покрытием является неотъемлемой частью определения прочности и прогнозируемой долговечности в процессе эксплуатации. Тщательное соблюдение стандартных методов испытаний обеспечит точное определение характеристик и поставку высококачественной продукции вашим клиентам.

Кевин Биллер, директор компании The Powder Coating Research Group

Связаться с нами

Готово, ваша заявка успешно отправлена.
Ошибка, попробуйте обновить страницу и попробовать снова.

Вам будет интересно

Защита от коррозии аппарата нефтепереработки
Защита от коррозии аппарата нефтепереработки
Из-за сложных смесей органических материалов и кислых газов в сочетании с колебаниями температуры, эрозии и…
Роб Коул
01.09.2022
72
Энергия ветра: производство башен ветрогенераторов набирает обороты
Энергия ветра: производство башен ветрогенераторов набирает обороты
Компания FreiLacke поставляет группе предприятий Max Bögl полиаспарагиновую систему для бетонных/гибридных башен ветрогенераторов
Оливер Заннер
22.11.2022
47
Простое нанесение покрытий на балласт на заводе компании Liebherr
Простое нанесение покрытий на балласт на заводе компании Liebherr
Новая система покрытий от компании Vollert позволяет ускорить и упростить процесс нанесения покрытий на балласт…
Vollert Anlagenbau GmbH
21.12.2021
390
Высокоэффективный метод производства красок и покрытий
Высокоэффективный метод производства красок и покрытий
При производстве лакокрасочных материалов, включая декоративные краски, промышленные краски и покрытия, рулонные покрытия, автомобильные лаки…
Тибо Вайнерт, Компания Ystral GmbH, Бальрехтен-Доттинген, Германия
30.06.2020
676
Ждем вас на ведущих отраслевых выставках Rosmould | Rosplast 2022!
Ждем вас на ведущих отраслевых выставках Rosmould | Rosplast 2022!
7 – 9 июня 2022 года в Москве, в МВЦ «Крокус Экспо» пройдут ведущие отраслевые…
01.06.2022
248
Новое поколение рулонных покрытий. Технология Tedlar®.
Новое поколение рулонных покрытий. Технология Tedlar®.
Превосходные свойства поливинилиденфторида (ПВДФ) хорошо известны в лакокрасочной промышленности и пользователям изделий из окрашенных металлов.
Джаред Трейси, Майкл Демко, компания DuPont
19.09.2022
142
Новое умное кровельное покрытие
Новое умное кровельное покрытие
Инженеры из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли разработали умное кровельное покрытие, которое сохраняет дома…
01.02.2022
437
Робототехника представляет новую альтернативу для отрасли порошковых покрытий
Робототехника представляет новую альтернативу для отрасли порошковых покрытий
Забавно, как иногда выходит. То, что начиналось как поиск ответов, привело к появлению новой альтернативы…
Брэд Руппер
09.11.2020
125
Вспучивающиеся покрытия могут соответствовать высоким эстетическим требованиям и стандартам безопасности
Вспучивающиеся покрытия могут соответствовать высоким эстетическим требованиям и стандартам безопасности
Новое поколение огнезащитных покрытий на водной основе для конструкционной стали может удовлетворить потребностям зеленого строительства,…
Ронни Пескенс
26.10.2020
129