自動車用塗料のスクラッチテスト

Rtec Instrumentsの3Dスクラッチテスターは、自動車用塗料の改善を検出するための新しいより正確な技術を提供します

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自動車用塗料のスクラッチテスト

JD Power 2017の米国初期品質調査では、自動車の側面に関する消費者の苦情の50％以上が引っかき傷、傷、および欠けの欠陥に関連していることがわかりました。したがって、自動車用塗料の改良により自動車の長期的に外観が保証され、保証請求が減り再販価値が高まります。傷のつきにくい自動車用クリアコートの改良は自動車産業において研究の最優先事項となっています。このアプリケーションノートは、インデンテーション＆スクラッチ試験機SMT-5000を使用した自動車用塗料のスクラッチテストを示しています。

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問題のあるスクラッチテスト

自動車用塗料は、実際には、保護と美しさという２つの目的を持つさまざまな材料の層です。下の層は下にある部分を腐食やその他の損傷から保護する必要があり、上塗りは一貫した長持ちする輝きとともに鮮やかで持続的な色を提供する必要があります。審美的なトップコートシステムは、ベースコートとクリアコートの2つの層で構成されています。ベースコートは色と視覚効果を提供しますが、クリアコートは光沢のある外観を提供し、多くの環境的および機械的負荷から保護します。

既存のクリアコートの高品質にもかかわらず、材料の性能を改善して寿命の間に自動車によって見られる機械的損傷に抵抗するための需要が高まっています。今日まで、相手先ブランド供給（OEM）は、CrockmeterやAmtek-Kistler洗車などの簡単なテスト方法を使用して、引っかき傷やその他の機械的負荷に対するクリアコートの耐性を評価しています。しかしクリアコートの品質が向上するにつれて、これらのテストでは標準偏差が大きく比較的主観的な結果が得られるため材料に加えられた改善を区別できません。

最近ではスクラッチテストにより、自動車のクリアコートに見られる実際の機械的損傷を再現しクリアコートの材料をわずかに改善するための優れた差別化要因を提供できることが示されています。自動車のクリアコートはさまざまな種類の損傷を受けます。

洗車ブラシは、比較的鋭くて小さな粒子で小さな引っかき傷を作ります。これはしばしばmarと呼ばれます。
爪と木の枝はより大きなサイズの接触を示し、マイクロスクラッチとして特徴付けられるより深いスクラッチを生成します。キーやショッピングカートは、大きくて深い傷を作る可能性があり、クリアコートが剥がれることがあります。

したがって、クリアコートの配合はマイクロスクラッチおよびマクロスクラッチ耐性とともに、製品の耐傷性（ナノスクラッチ）をテストする必要があります。 Rtec Instrumentsは、このタイプのスクラッチテストに完全に適合しており、単一のプラットフォームでナノスケールからマクロスケールまで高精度で交換可能なヘッドを提供する唯一の企業です。

図1：自動車用塗料の力と損傷の範囲

“Fundamentals and Characterizations of scratch resistance on automotive clearcoats”, 「自動車用クリアコートの耐擦傷性の基礎と特性評価」、Progress in Organic Coatings 125（2018）339-347.

スクラッチテストの方法論

図2：スクラッチテストの原理

図2に示すように、対象のサンプルの表面上に既知の形状のダイヤモンドチップをドラッグするとスクラッチが作成されます。チップが表面に沿って移動するとチップにかかる通常の荷重が直線的に増加し、連絡先の重大度。

図3：スクラッチ障害の共焦点画像

障害が発生する通常の力は臨界荷重と呼ばれます。臨界負荷はイメージングまたはイメージングと信号の組み合わせのいずれかを使用して検出されます。スクラッチテスト中に複数の信号を記録できるため、ユーザーは動作と特定の測定値を相互に関連付けることができます。

スクラッチテスト条件

インデンテーション＆スクラッチ試験機（SMT-5000）を使用して、黒いベースコート+ 1kクリアコートパネルにスクラッチを作成しました。自動車用塗料が実際に受ける可能性のあるさまざまな種類の損傷をシミュレートするために、3つの異なるチップが使用されました。テストパラメータは表1にまとめられています。

	Mar レンジ	マイクロレンジ	マクロレンジ
ダメージシミュレーション	洗車、緩衝	釘、鍵、木の枝	ショッピングカート、ベルトバックル、コートジッパー
荷重	線形増加	線形増加	線形増加
スクラッチ長	2mm	2mm	2mm
初期荷重	0 N	0.1 N	0.1 N
最終荷重	0.5 N	8 N	20 N
スクラッチ速度	4 mm/min	4 mm/min	4 mm/min
チップ	Rockwell Φ2 µm	Rockwell Φ50 µm	Rockwell Φ200 µm

図2：テスト中のペイントパネル

自動車用塗装試験結果のスクラッチ試験

すべての場合において、クリアコートには少なくとも2つのタイプの障害があります。最初に凝集障害が発生し、次にクリアコートが裂けるか除去されます。力/損傷の3つの範囲を以下に示します。

Mar テスト:

鋭いダイアモンド（2 µm）と小さな力（<1 N）を使用すると、たとえば洗車機のブラシによって引き起こされる損傷をシミュレートできます。この場合、図3に示すように、1つのタイプの障害のみが観察されます（まとまりがあります）。

図3：自動車用塗料のマクロスクラッチの共焦点および明視野画像

マイクロスクラッチ:

クリアコートの枝や爪によって引き起こされる引っかき傷をシミュレートするために、10〜20 Nの垂直抗力を持つより大きな半径の先端（50 µm）が使用されます。この場合、図4に示すように、凝集と除去の両方が観察されます。

Figure 4: Confocal and bright field images of Micro scratch on automotive paint

マクロスクラッチ:

大きな先端半径（200 µm）と大きな法線力を使用して、キーで積極的に引っかいたり、ショッピングカートをこすったりしたときに、クリアコートが被る大きな引っかき傷を再現します。
これらの引っかき傷の場合、図5に示すように、クリアコートの除去は凝集破壊後比較的迅速に行われますが、ベースコートにさらに深い損傷を与えます。

Figure 5: Confocal and bright field images of Macro scratch on automotive paints

Tこのデータは、スクラッチの3D画像に合わせた3つの臨界荷重とともに、マクロスクラッチの結果として生じる侵入深さと摩擦係数を示しています。それぞれの臨界負荷について以下に詳しく説明します。

図6：自動車用塗料のマクロスクラッチの侵入深さ、スクラッチ荷重、摩擦係数、および臨界荷重（垂直線）のプロット

Lc1：クリアコートの最初のひび割れ（粘着性）

図7：自動車用塗料（Lc1）のマクロスクラッチの最初の不良

Lc2：クリアコートの除去の最初の兆候

図8：自動車用塗料（Lc2）のマクロスクラッチ中の2番目の不良

Lc3：クリアコートの完全な除去と下にあるベースコートの損傷

図9：自動車用塗料（Lc3）のマクロスクラッチにおけるクリアコートの完全な除去とベースコートの損傷

ほとんどのクリアコートでは、摩擦係数の変化は最初の2つの不良（Lc1とLc2）の優れた指標であり、最初の裂け目（Lc1）とクリアコートの除去（Lc2とLc3）を特定する共焦点画像で確認されます。

2つの異なるクリアコートを比較するために2つのペイントパネルがテストされました。各力の範囲について、Lcでの臨界荷重と引っかき深さの結果を表2に示し、図12にプロットします。

サンプル 1	Lc1 [N]	CD1 [µm]	Lc2 [N]	CD2 [µm]	Lc3 [N]	CD3 [µm]
Mar	0.19	3.17
マイクロ	2.63	23.60	8.7	43.63
マクロ	2.9	12.44	6.88	33.72	13.68	61.37

サンプル 2	Lc1 [N]	CD1 [µm]	Lc2 [N]	CD2 [µm]	Lc3 [N]	CD3 [µm]
Mar	0.28	2.48
マイクロ	1.84	25.02	3.53	33.80
マクロ	2.45	16.35	7.67	33.02	15.75	61.56

表2：2つのクリアコートサンプルの臨界荷重と臨界深さ

クリアコートの保護的役割は、次のプロットで要約できます。ここでは、サンプルに残された高い臨界荷重と低い残留深さが最良の製品を特徴づけています。図12は、3つの荷重範囲の残留深さ（Lc1で）と臨界荷重値Lc1の関係を示しています。プロットの右下隅に向かう傾向は、優れた改善されたサンプルイメージングを表しており、コーティング/基板システムの動作の最も高度な理解を可能にします。サンプル2はMarの範囲で優れているように見えますが、サンプル1は、マイクロおよびマクロの範囲で最初の裂けに対してより優れた耐性を提供します。したがって、サンプル2は洗車後の方がうまくいく可能性があり、そのパフォーマンスはミクロおよびマクロの範囲でサンプル1よりも低くなります。さまざまな損傷範囲でのこの挙動の違いは、クリアコート配合者が、すべての範囲でより高いLc1の弾性を高める（残留スクラッチの深さを減らす）および/または引き裂き抵抗を高めることにより、製品を改善するのに役立ちます。

図12：異なる損傷範囲の2つのサンプルのスクラッチ残留深さ対臨界荷重

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結論

ここでは、スクラッチテスト手法を使用して、実際にクリアコートが受けるさまざまな損傷を再現します。たった1つの機器で、クリアコートの配合者とOEMユーザーは、先端の形状と垂直抗力を変えることで、クリアコートの引っかき動作を区別できます。スクラッチテストは、クリアコート配合の改善を検出するための新しいより正確な技術を提供します。
Tスクラッチテスト中に発生する応力は、最初にクリアコートの強度に関する情報、およびベースコートとその下のコーティングからのクリアコートの除去に対する耐性に関する情報を提供します。共焦点および明視野イメージングによって提供される堅牢なイメージングに加えて、スクラッチテスト中に記録されたすべての信号を注意深く分析することで、さまざまなスケール（マー、ミクロ、マクロの損傷）での自動車塗装システムの動作を最も高度に理解できます。

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国際規格

ASTM D7187
“Standard Test Method for Measuring Mechanistic Aspects of Scratch/Mar Behavior of Paint Coatings by Nano-scratching”「ナノスクラッチによる塗料コーティングのスクラッチ/マール挙動の機構的側面を測定するための標準試験方法」
ISO 1518
“Paints and varnishes – scratch test”「塗料とワニス-スクラッチテスト」