Test de dureza del péndulo

1 Definición de dureza y flexibilidad

La dureza está definida por la norma DIN EN ISO 4618 [1]. Es la resistencia de un recubrimiento a una fuerza mecánica como la presión o el rayado. Puede ser causada por cepillos de lavado de automóviles, arañazos de ramas de árboles o ramas de árboles, uñas, animales como un gato sentado en el capó de un automóvil o por ralladas de llaves o inconscientemente por joyas afiladas.  La flexibilidad tal como se define en ISO 1520 [2] es la resistencia de recubrimientos, pinturas, barnices y productos relacionados al agrietamiento y / o desprendimiento del sustrato o deformación. La flexibilidad es una resistencia dinámica del recubrimiento. Se puede evaluar con deformación rápida o lenta.

2 Amortiguación pendular: una medida de flexibilidad.

El test del péndulo a menudo se denomina incorrectamente test de dureza, aunque evalúa el comportamiento elástico y viscoelástico de un recubrimiento. En este test se evalúa la amplitud de oscilación de un péndulo. El péndulo se apoya sobre la superficie de recubrimiento con dos bolas y se pone en oscilación. Cuanto más rápido disminuye la amplitud, más suave es el recubrimiento. La amortiguación del movimiento pendular se basa en el retraso de la recuperación elástica del revestimiento después de haber sido deformado por las bolas de contacto.
Este método es adecuado para la evaluación objetiva de sistemas monocapa y multicapa. Se puede utilizar en el desarrollo de nuevos recubrimientos, así como en el control de calidad para pruebas por lotes.
 

3 Principio de medición del test de dureza con péndulo

Se coloca el péndulo sobre la superficie de un revestimiento y se le hace oscilar según un ángulo de oscilación especificado. El instrumento mide el período de tiempo o número de oscilaciones en las que la amplitud de oscilación cae a un valor definido según la norma. ISO y ASTM estandariza dos tipos de péndulos, que difieren en forma, masa, tiempo de oscilación y otros parámetros [2,3]. Cuanto menor sea el tiempo de oscilación, menor será la dureza de la película de pintura. Dependiendo de la especificación, en el informe del test debe registrarse el número de oscilaciones o el tiempo de amortiguación en segundos. Los dos péndulos que se describen a continuación tienen un marco abierto. Dos bolas están unidas a la parte inferior, que sirven como un punto de oscilación.

3.1 Ensayo de péndulo con péndulo König

El péndulo König tiene forma triangular y descansa sobre dos bolas de carburo de tungsteno de 5 mm de diámetro separadas 30 mm (Fig. 2). El peso del péndulo es de 200 g. En el test König, el período de amortiguamiento se mide desde una desviación de 6° hasta una desviación de 3°. En la posición 3°, la cuenta se detiene.

Para ajustar la frecuencia de oscilación natural, se adjunta un contrapeso a la barra de soporte vertical. Deslizándolo hacia arriba y hacia abajo, el péndulo se ajusta en el momento de la fabricación. Esta calibración se realiza en una placa de vidrio plana, estableciendo un período de oscilación de 1,4 ± 0,02 seg. La placa de vidrio se suministra como placa de referencia para la verificación del sistema de medición, por lo que se debe formar el valor medio de tres mediciones.

3.2 Ensayo de péndulo con péndulo Persoz

El péndulo Persoz es rectangular y descansa sobre dos bolas de carburo de tungsteno, cada una de 8 mm de diámetro y separadas 50 mm (Fig. 3). El peso total del péndulo es de 500 g. El período de amortiguamiento se mide entre 12° y 4°. En la posición 4°, la cuenta se detiene.

Con el péndulo de Persoz, no hay contrapeso para el ajuste, es decir, las dimensiones, la masa total y el centro de gravedad del péndulo deben diseñarse con mucha precisión para lograr una frecuencia de oscilación natural de 1 segundo y un período de amortiguación de 430 segundos en una placa de vidrio plana. La placa de vidrio se suministra como placa de referencia para la verificación del sistema de medición, por lo que se debe formar el valor medio de tres mediciones.

3.3 Tabla comparativa: Péndulo de König versus péndulo de Persoz

Dado que los resultados de la medición están fuertemente influenciados por la interacción entre el péndulo y el recubrimiento y las propiedades elásticas y viscoelásticas del recubrimiento, los resultados de medición de los dos métodos de test no se pueden comparar entre sí. Por lo tanto, solo los resultados de medición de un método deben compararse entre sí.

En el caso de superficies con bajo coeficiente de fricción, el péndulo de Persoz puede patinar, lo que falseará los resultados de la medición. Generalmente, el péndulo de Persoz se usa para recubrimientos "más suaves".

Imagen 1 Principio de medición del test de amortiguación con péndulo

Imagen 2 byko-swing con Péndulo de König

Imagen 3 byko-swing con péndulo de Persoz

4 Condiciones para el test y preparación de la muestra

Para lograr resultados de medición comparables y reproducibles, es importante definir tanto las condiciones ambientales (temperatura y humedad) durante el test como el sustrato y el espesor del recubrimiento. Los resultados de amortiguamiento del péndulo de un revestimiento sobre vidrio, metal o plástico serán muy diferentes.
Las placas deben ser planas y libres de distorsión. Deben ser lo suficientemente rígidas o gruesas para que no se deformen durante el test. Se recomiendan placas de metal o vidrio con un tamaño de 100 mm x 100 mm x 5 mm.
El recubrimiento debe ser uniforme y sin defectos, mientras que los resultados de la medición dependen en gran medida del espesor del recubrimiento. El espesor mínimo del recubrimiento debe ser de 30 µm. Además, las muestras recubiertas deben secarse u hornearse según las especificaciones acordadas y acondicionarse a temperatura ambiente (23 ± 2 °C) y humedad relativa (50 ± 5 %) durante al menos 16 horas.
En el caso de sistemas elásticos o viscoelásticos, la norma recomienda que los paneles sean revisados regularmente durante un período de tiempo determinado (días, semanas) para poder registrar los valores de cualquier cambio debido a un posterior curado.

5 Ejemplos de aplicación típicos para el test de dureza con péndulo

5.1 Elasticidad de las capas transparentes para suelos de madera sellada

Para suelos de madera sellados, las propiedades elásticas del revestimiento son un criterio de calidad importante. Existe una amplia gama de diferentes barnices transparentes con de brillos altos y mates. El requisito para la capa transparente es que debe soportar una amplia variedad de cargas. Por ejemplo, si se arrastra una mesa o una silla por el suelo, después no deberían verse marcas de fricción. Lo mismo se aplica a la carga durante la limpieza del suelo con una fregona o un cepillo. Además, aquí el suelo de madera no debería mostrar ninguna marca después. En otras palabras, el desafío es lograr que la capa transparente sea dura, por un lado, para que sea duradera y, al mismo tiempo, elástica, para que pueda relajarse nuevamente después de la carga.

5.2 Elasticidad de recubrimientos en automoción para piezas plásticas exteriores

Especialmente los recubrimientos para automóviles sobre sustratos de plástico tienen que ser elásticos. Dependiendo de la temperatura (clima cálido o frío), los plásticos cambian su dimensión de tamaño mucho más que los sustratos metálicos. Se flexionan mucho más bajo carga y tienden a deformarse en lugar de romperse. Por lo tanto, se utilizan más componentes elásticos en la formulación de la pintura que en la pintura OEM de automóviles para la carrocería. Por lo tanto, pulir la superficie de un parachoques de plástico también es un desafío para la capa transparente. Necesita tener una gran elasticidad para hacer frente a los escenarios descritos anteriormente y, al mismo tiempo, no debe ser demasiado blanda, ya que, de lo contrario, incluso una pequeña muesca de grava resultaría en una mini abolladura permanente en la superficie de la pintura que ya no se recuperaría. La prueba de amortiguación del péndulo simula muy bien la tensión de los movimientos de pulido y evalúa objetivamente la elasticidad de la capa transparente.

Imagen 4 Limpieza de suelo de madera

Imagen 5 Pulido de piezas de automoción

6 Precisión y sesgo de los resultados de medición

Se recomienda realizar un test en tres lugares diferentes en la misma placa de muestra. Tanto el valor medio como el rango de valores medidos se documentarán en el informe de ensayo. Para evaluar la importancia de los resultados de medición en las pruebas de comparación, se realizaron y documentaron pruebas de repetibilidad dentro de un laboratorio y pruebas de reproducibilidad entre diferentes laboratorios en las declaraciones de precisión de ISO 1522 y ASTM D 4366.

6.1 Precisión según ISO 1522

La repetibilidad (r) es la diferencia entre dos mediciones repetidas con un nivel de confianza del 95 %. Ambas pruebas fueron realizadas por el mismo operador en un laboratorio con dos mediciones cada una en un panel.
La reproducibilidad (R) es la diferencia entre dos resultados de prueba de diferentes operadores y laboratorios en el mismo material de prueba con un nivel de confianza del 95%. Para cada laboratorio, se indicó el valor medio de los resultados de dos pruebas.

6.2 Precisión según ASTM D 4366

La declaración de precisión en ASTM D4366 se realizó para el método Persoz con cinco laboratorios en seis paneles revestidos con un amplio rango de dureza. Para cada panel de muestra, se tomó el promedio de 2-3 mediciones. 
Los resultados de precisión fueron los mismos que en ISO 1522 con un nivel de confianza igual al 95 %.

7 Resumen

El método de ensayo del péndulo es adecuado para evaluar la elasticidad de los recubrimientos. El objetivo es proporcionar recubrimientos con una resistencia específica a la deformación. El tipo de deformación a evaluar en este método representa un roce en la superficie (por ejemplo, pulido de pinturas para automóviles, limpieza de suelos de madera). Este tipo de desgaste se puede evaluar objetivamente con el método de amortiguación del péndulo, en el que un péndulo descansa sobre dos bolas en la superficie y se pone a oscilar.  

Un test automatizado es una gran ventaja, ya que la repetibilidad puede aumentar significativamente. El byko-swing ofrece un procedimiento de test totalmente automatizado mediante el cual la muestra se coloca automáticamente, el péndulo se coloca en la posición de desplazamiento adecuada y el tiempo de amortiguación se registra automáticamente. Además, incluye una cubierta protectora acrílica de alta calidad (ya premontada) para garantizar que ninguna corriente de aire pueda falsear los resultados durante el test.