汽车涂层飞石冲击测试及评价方法研究

摘要：文章介绍了目前国际上检测汽车涂层耐飞石冲击性能的两种常用试验和评价体系，并对比了其主要区别。然后进一步通过实验研究了实验样品角度、试验温度及石子用量对试验结果的影响。
最后比较了各个主机厂汽车涂层飞石冲击试验的区别，分析了各个标准的优缺点，并对试验标准的制定提出了建议。
 引言 汽车在高速行驶的过程中，不可避免会溅起路面上散落的石子。这些飞溅起的碎石，击打在汽车表面，会造成汽车表面涂层的破坏。
这种破坏有两方面的影响，一是造成汽车表面油漆划痕和破损，破坏汽车涂层的装饰效果，影响汽车的美观性；
二是可能击穿汽车特别是底盘零件的防腐蚀涂层，腐蚀从涂层破坏处会逐渐向零件内部蔓延，造成结构件力学性能降低，影响汽车的安全性。
在一些极端工况下，汽车涂层受路面飞石影响更大，更加容易脱落，比如石子路路试中，路面上的石子一般比实际路况更加尖锐，更容易造成涂层破损及脱落；
或者在低温路试中，涂层低温变脆，韧性降低，抗飞石冲击的性能变差。因此，如何合理模拟路面石子对汽车涂层的破坏，在汽车路试前就完成对涂层飞石冲击失效的风险评估及性能改进，无论对项目开发进程还是对研发成本而言，都有很大的积极作用。 1 飞石冲击测试介绍
 1.1 飞石冲击测试设备
一般而言，模拟路面飞石对涂层的破坏，需要以压缩空气吹动一定量的路面飞石模拟介质(鹅卵碎石或铸铁砂砾)以一定速度冲击待测样板或零件，冲击后通过评估涂层损坏情况判断涂层的耐飞石冲击性能。一台典型的飞石冲击设备如图1所示。

 模拟路面飞石冲击的测试有很多不确定性，首先石子的大小、硬度和尖锐程度不仅会随着石子的来源不同而不同，随着测试次数的增加，石子棱角也会磨损；
再次压缩空气的压力，流量和测试距离对石子的速度影响很大，而且石子在受到压缩空气吹扫加速的过程中，会相互碰撞挤压，导致最终速度不一致；
最后，石子不是理想的球形，测试样板上冲击的痕迹现状和位置都是随机的，这也是此项测试重复性和准确性面临的问题之一。
 1.2 飞石冲击试验方法简介
为了规范飞石冲击试验，解决上述的不确定性，必须通过测试标准来锁定相关参数，比如石子来源、大小、石子更换频率、压缩空气压力、喷射时间、测试角度、测试环境及预处理，样品评价方法等内容。
目前，国际上针对涂层的飞石冲击标准，有两大标准被广泛引用，其他各个行业和企业的标准绝大部分是这两项标准演化而来。
一是由美国汽车工程师协会(SAE)制定的SAEJ400(表面涂层抗碎石测试)；另一个是德国工业标准DIN55996-1:2001(涂层材料的碎石冲击强度检验第1部分:多重冲击试验)。 1.2.1 SAE体系包括美国材料试验协会(ASTM)的ASTMD3170，通用汽车、福特、克莱斯勒、捷豹路虎等汽车公司的企业标准都是基于SAEJ400发展而来的，SAE体系的标准用鹅卵石模拟路面飞石，样品测试角度有9O°和45°两种(见图2)，其他测试参数见表1。

1.2.2 DIN体系包括国际标准化组织的ISO 20567-1，大众、戴姆勒奔驰、沃尔沃、标志雪铁龙等汽车公司的企业标准都是基于DIN 55996-1发展而来，DIN体系的标准采用铸铁砂砾模拟路面飞石，样品测试角度为54°(见图3)，其他参数见表1。
 1.3 飞石冲击试验评价方法 在抗飞石冲击试验中，由于飞石模拟介质(鹅卵碎石或铸铁砂砾)被压缩空气投射到涂层表面的分布具有任意性和随机性，因此如何评价飞石冲击测试后的涂层样板的表现也非常重要。 
评价涂层的破坏程度目前有两种方法，一种是基于统计，精确清点破坏点的大小、数量及其破坏程度，并统计整理；
第二种是基于主观评价，将试验后的试板与一系列的标准图像(如图4)进行比对，主观比较破坏的程度、密度与破坏形式，来评价抗石击性的优劣。

 统计法的优点是涂层抗石击性容易分辨较小差别，将结果量化，可消除人为误差，缺点是统计过程较复杂；主观评价法描述直观、快速。
试验结果重现性较好。缺点是评价结果是对照标准图像而获得的，评价结果会受到工作经验和人眼误差等人为因素的影响。SAE和DIN两大体系对飞石冲击结果评价的具体要求见表2。

 2 飞石冲击影响因素研究

2.1 试验样品 塑料基材油漆板：基材材料为TPO，牌号为TRC787Y，供应商为利安德巴塞尔工业公司；油漆有底漆，色漆和清漆3层，供应商为PPG工业公司。
2.2 试验仪器 飞石冲击仪：型号为MTG，美国Q-Lab公司环境箱：型号为UTS 1200，意大利ACS公司体视显微镜：型号为NV-3，德国卡尔·蔡司公司
2.3 试验条件 试验条件A：测试温度23℃，样品放置角度9O°，石子用量1pt(约473 m1)试验条件B：测试温度23℃，样品放置角度45°，石子用量1pt(约473 m1)试验条件C：测试温度-18℃，样品放置角度90°，石子用量1pt(约473m1)试验条件D：测试温度23℃，样品放置角度90°，石子用量3pt(约1,419 m1) 每个测试条件下测试3个平行样，测试后通过体视显微镜测量破损点直径。
2.4 试验结果与讨论
 测试完后的样品通过测量最大的破损点大小来评价结果好坏，具体的试验结果见表3。
 可以看出，与试验条件A相比，试验条件B由于样品放置角度由90°变为了45°，样品的破损点大小明显增加(由平均大小1.7mm增加至3.2mm)，测试后的样品目视变化也非常明显，如图5所示。
在试验标准SAEJ400中，45°和90°两种角度均有描述，不同的冲击角度分别模拟汽车的不同部位在遇到飞石击打时的情况，可以看出45°冲击造成的破坏点直径更大，原因也很明显，45°的侧面冲击则容易使复合涂层中的表面涂层发生位移而暴露下面的涂层。
 
与试验条件A相比，试验条件C试验温度变成了-18qC的低温，样品破损点大小也从I.7mm增大到2.4mm，这是由于低温导致油漆涂层变脆，韧性降低，从而使同样条件的石子冲击下剥落的面积更大。
最后，石子用量与试验结果的好坏也有明显的关系，试验条件D的石子用量是试验条件A的3倍，样品的平均破损点大小也大，是由于石子量增多后，对样品表面造成更大破坏的概率也随之增大。 3 不同企业涂层飞石冲击试验性能要求对比

目前来看，飞石冲击测试的重要性已经得到几乎所有汽车企业的认可，在各个企业的汽车涂层性能要求中，都有飞石冲击测试的要求。
虽然这些企业执行的标准都是基于SAE或DIN标准，但是性能要求和评价方法有所不同(见表4)。通过对比不同企业的性能要求，可以看出哪些企业要求更加苛刻，从而指导更加经济合理的性能评价指标的制定。

 SAE体系与DIN体系相比，增加了低温条件下的飞石冲击试验，从而更能够准确评估涂层在低温脆性的情况下的抗飞石冲击能力，低温条件下进行比常温条件下更加苛刻，以上几家企业也都无一例外对涂层的常温和低温的抗飞石冲击能力提出了要求。
对于冲击角度，通用和福特要求飞石冲击角度为90°，而克莱斯勒和捷豹路虎要求为45°。
如本文实验部分所讨论的，不同的冲击角度，分别模拟汽车的不同部位在遇到飞石击打时的情况，一般来说，同样能量及形状的石子，90°冲击造成的破坏点更深，而45°冲击造成的破坏点直径更大。
通过各个试验条件综合来看，通用的飞石冲击性能要求比较适中，介于克莱斯勒和福特之间，而捷豹路虎飞石冲击的测试条件最苛刻，这可能和其车型及品牌定位有关。
以上4家主机厂的飞石冲击评价标准中，通用公司与其他3家OEM除了试验和评价参数上有区别外。
评价方法也稍有区别：通用汽车油漆性能标准中，无论对金属装饰漆、粉末涂料还是电镀件表面的喷漆，评价合格与否只看一个指标，即最大破损点的大小(直径)，而其他3家均是在规定尺寸的破损点在一定数量以下即可。
通用公司飞石冲击的评价方法偏差要比其他主机厂标准稍大，因为一个异常的破损点即可判定样品失效。因此，在通用公司现有的评价方法下，只能通过增加测试样品数量来降低异常点的影响，提高飞石冲击测试的准确性和重复性。
日产、丰田等日系企业采用的飞石冲击试验方法大体上与SAE的标准类似，但是石子规格、测试条件、评价方法等都有区别，由于参数区别很大，结果又是随机的，不同的标准所测试的结果很难进行换算对比。
 DIN体系与SAE体系相比，除了冲击介质和测试角度不同，冲击介质的加注也有显著区别，DIN体系的冲击介质的加注都是分多次的，这样减轻了介质之间相互碰撞的影响，有的标准如戴姆勒奔驰公司的，两次冲击的压力和重量都不一样(见表5)。


值得注意的是，大众除了常规的飞石冲击测试，还进行腐蚀后的飞石冲击测试，这点是美系车企的标准所没有的。显而易见，零件腐蚀后涂层耐冲击性能会降低，同样涂层受到路面飞石冲击后，将影响零件耐腐蚀性能。
腐蚀，温度和路面飞石冲击对汽车涂层的相互作用，如何进一步影响零件的尺寸，耐久和疲劳性能，这是需要进一步研究的。
4 结语 目前，汽车耐久要求越来越高，而飞石冲击测试，能够模拟汽车在运行中遇到的碎石击打情况，可反映汽车油漆涂层的基本机械性能。
良好的汽车表面涂层对于油漆的装饰效果以及基材的保护能力有着重要的影响。然而，使用不同的测试及结果评价方法，对于结果会产生不同的影响。
应该根据汽车的实际使用条件和整车性能目标，选择有针对性的测试方法及参数，才能较好改善汽车涂层的抗冲击性能，做到性能与成本的平衡。来源：粉墨登场
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