Verschiedene, teilweise genormte, Verfahren zur Prüfung der Kratzfestigkeit von Oberflächen sind aus dem Stand der Technik bekannt. All diesen Verfahren ist ge- mein, dass die Oberfläche von Probekörpern durch Festkörper hoher Härte entweder mit mehreren Kontaktpunkten, beispielsweise durch lose oder gebundene Partikel, oder mit nur einem Kontaktpunkt, beispielsweise einer Diamantspitze, durch eine berührende Relativbewegung verkratzt werden. Bei allen beschriebenen Verfahren erfolgt in der Regel nach der Verkratzung der Oberflächen eine Analyse der op- tischen und/oder topografischen Eigenschaften der Oberfläche. Dies erfolgt z. B. durch eine Messung der optischen Trübung, des Glanzes oder durch Untersuchungen im Licht-, Rasterelektronen-oder Atomkraftmikroskop.

Zu den genormten Verfahren zur Prüfung der Kratzfestigkeit gehört das Sandriesel- verfahren (DIN 52 348). Beim Sandrieselverfahren wird die Oberfläche eines Probe- körpers durch einen wohldefinierten Normand verkratzt, welcher aus einer Höhe von 1650 mm durch ein Fallrohr fällt. Dabei ist die Sandmenge auf 3 kg festgelegt.

Die Auftreffgeschwindigkeit des Sandes ergibt sich unmittelbar aus der Fallhöhe (unter Vernachlässigung der Luftreibung) zu 5,69 m/s. Insbesondere im Hinblick auf eine Simulation der Abrasivbelastung der Oberflächen von Fahrzeugteilen im Fahrt- wind durch Flugsand, Schmutzpartikel o. dgl. ist die Auftreffgeschwindigkeit des Sandrieselverfahrens jedoch zu niedrig. Die Auftreffgeschwindigkeit von Partikeln im Fahrtwind liegt üblicherweise zwischen etwa 30 km/h und 200 km/h, d. h. zwischen 8,33 m/s und 55,56 m/s.

Ein weiteres genormtes Testverfahren ist das Reibradverfahren, auch Taber-Abraser- Test genannt (DIN 52 347). Beim Taber-Abraser-Test werden die Oberflächen der Probekörper, welche auf dem Drehteller des Verschleiß-Prüfgerätes liegen, durch zwei sich in entgegengesetzter Richtung drehende Reibräder auf Gleitverschleiß be- ansprucht. Die Reibräder der Firma Teledyne Taber (USA), Typ CS 10 F, bestehen aus einem definierten feinkörnigen Schleifmittel, das in Gummi eingebettet ist. Zur Simulation der Abrasivbelastung der Oberflächen von Fahrzeugteilen im Fahrtwind durch Flugsand, Schmutzpartikel o. dgl. hat der Taber-Abraser-Test den Nachteil, dass die Andruckkraft des verschleißenden Mediums auf den Probekörper, wahlweise 2,7 N oder 5,4 N, im Vergleich zu dem für Automobilanwendungen relevanten Be- reich zu groß ist. Modellhafte Abschätzungen der Andruckkraft von Partikeln im Fahrtwind ergeben Werte um 0,5 N. Diese Andruckkraft tritt zudem nur über eine Zeitraum von weniger als 1 gus aux In E. W. J. Mardles, R Oil Colour Chem. Assocn. (1928), 11, Seiten 230-259 und in P. H. Shipway und I. M. Hutchings, Surface and Coatings Technology (1995), 71 (1), Seiten 1-8 sind Verfahren beschrieben, in denen abrasive Partikel durch einen Luft- strom auf eine Probenoberfläche gestrahlt werden. Bei diesen Verfahren treten zwar vergleichsweise hohe Relativgeschwindigkeiten zwischen Verschleißmedium und Probenoberfläche von bis zu 77 m/s auf. Nachteilig bei diesen Verfahren ist jedoch, dass der Anströmwinkel nicht variiert werden kann. Bei den in den Normen ASTM G 76-95 und ÖNORM M 8126 beschriebenen Verfahren wird ebenfalls ein Partikelstrom mit hoher Geschwindigkeit auf eine Oberfläche gelenkt. All diesen Verfahren ist jedoch gemein, dass der Ausgang des Düsenrohres o. dgl., welches den Gaspartikelstrom auf die Probenoberfläche leitet, von dem Probekörper, welcher frei im Raum gehalten wird, beabstandet ist. Dies bedeutet, dass der Gaspartikelstrom zwischen dem Ausgang des Düsenrohres und der Probenoberfläche frei strömt, was zu Verwirbelungen und Turbulenzen im Bereich der Probenoberfläche führen kann.

Eine wohldefinierte Strömung und damit eine reproduzierbare Kratzbelastung der Probenoberfläche ist somit nicht gegeben.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung lag darin, eine Vorrichtung zur Prüfung der Kratzfestigkeit von Oberflächen zur Verfügung zu stellen, welche die genannten Nachteile nicht aufweist.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des An- spruchs 1.

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Prüfung der Kratzfestigkeit von Oberflächen eines Probekörpers mittels eines mit Feststoffpartikeln versetzten Gas- stroms, wenigstens umfassend ein Rohr, welches austauschbar ist, zur Lenkung des Gasstroms auf einen Probenhalter mit der zu prüfenden Oberfläche, wobei zur Er- zeugung des Gasstroms ein Gebläse am Rohreingang oder eine Saugvorrichtung am Rohrausgang vorgesehen ist sowie eine Dosiervorrichtung am Rohreingang oder stromabwärts entlang des Rohres zur Dosierung der Feststoffpartikel in den Gas- strom, wobei das Rohr im Bereich des Rohrausgangs gewinkelt ist und der abgewin- kelte Rohrteil an dem Winkel eine Öffnung aufweist, an welcher der Probenhalter mit dem Rohr lösbar verbunden ist, oder anstelle der Öffnung im Inneren des abge- winkelten Rohrteils an dem Winkel ein Probenhalter vorgesehen ist, wobei die Öff- nung mit dem Probenhalter oder der Probenhalter im Innern des Rohres so positio- niert ist, dass der Gasstrom auf den Probenhalter gerichtet ist.

Der Probenhalter dient zur Anbringung der Prüfoberfläche an die seitliche Öffnung des Rohres, welche sich an dem Winkel im abgewinkelten Teil des Rohres, d. h. in Strömungsrichtung hinter dem Winkel, befindet. Die seitliche Öffnung ist dabei so positioniert, dass der Gasstrom auf den Probenhalter mit der zu prüfenden Oberfläche gerichtet ist. Alternativ kann auch im Rohrinnern ein Probenhalter vorgesehen sein, der ebenfalls so positioniert ist, dass der mit Partikeln beladene Gasstrom auf den Probenhalter gerichtet ist. Bei dieser Alternative ist keine Öffnung an dem Winkel vorgesehen.

Der Probenhalter kann z. B. eine Platte oder ein Quader sein, auf den die zu prüfende Oberfläche aufgebracht ist oder mit dessen Hilfe die Probenoberfläche an die Rohr- öffnung angedrückt ist. Der Probenhalter ist dementsprechend lösbar mit dem Rohr verbunden. Er kann beispielsweise mit Hilfe einer Schraub-oder Klemmverbindung oder durch Federn mittels Druck oder Zug befestigt sein. Der Probenhalter kann auf diese Weise reproduzierbar an der Öffnung angebracht werden. Wird eine Saugvor- richtung zur Erzeugung des Gasstroms verwendet, kann der Saugdruck gegebenen- falls stark genug sein, um den Prüfling an die Öffnung anzudrücken, so dass kein zusätzliches Befestigungsmittel notwendig ist.

Das Rohr, durch das der mit Feststoffpartikeln versetzte Gasstrom geleitet wird, ist austauschbar, d. h. es ist lösbar mit den übrigen Komponenten der Vorrichtung, ins- besondere der Dosiervorrichtung, dem Probenhalter und der zur Gasstromerzeugung dienenden Saugvorrichtung o. dgl. verbunden. Dies hat den Vorteil, dass das Rohr durch einfache Handhabung gegen ein anderes Rohr mit einem anderen Winkel aus- getauscht werden kann. Auf diese Weise kann der Anströmwinkel, unter dem die Probenoberfläche geprüft wird, variiert werden. Der Winkel des Rohres, und damit der Anströmwinkel, beträgt bevorzugt 5 bis 90°.

Das Rohr kann beliebige Querschnitte aufweisen. Vorzugsweise weist es jedoch einen quadratischen Querschnitt auf. Der Durchmesser des Rohres ist im Wesent- lichen konstant über die gesamte Länge des Rohres. Um ein gleichförmiges Strö- mungsprofil zu erzielen, welches für eine möglichst homogene Verkratzung der Oberfläche, und damit für eine hohe Reproduzierbarkeit, notwendig ist, ist das Ver- hältnis von Durchmesser zu Länge des Rohres entscheidend, wobei die hierfür maß- gebliche Länge des Rohres die Distanz zwischen der Dosiervorrichtung und der Öff- nung bzw. dem Probenhalter mit der Prüfoberfläche ist. Dementsprechend stehen der Durchmesser des Rohres und die Länge des Rohres zwischen der Dosiervorrichtung und der Öffnung bevorzugt in einem Verhältnis von 1 : 5 bis 1 : 100, besonders bevor- zugt von 1 : 20 bis 1 : 30, zueinander. Unter dem Durchmesser des Rohres ist im Falle eines quadratischen Querschnitts die Kantenlänge des Rohres zu verstehen. Insbe-

sondere durch die Verwendung eines quadratischen Querschnitts können Quer- schnittsänderungen, und damit lokale Geschwindigkeitsänderungen, im Bereich des Winkels, d. h. im Bereich der Probenoberfläche, vermieden werden.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt darin, dass der Pro- benhalter so an der seitlichen Öffnung im Bereich des Rohrwinkels angebracht wird, dass er die Öffnung vollständig bedeckt. Das Rohr ist somit mit Ausnahme der Öff- nungen am Eingang und Ausgang des Rohres sowie gegebenenfalls einer zusätzli- chen Öffnung für die Zudosierung der Feststoffpartikel in den Gasstrom geschlossen. Die zu prüfende Probenoberfläche weist in das Rohrinnere und ist somit von der Umgebung abgeschirmt. Wäre das Rohr nicht mit der Probe verbunden, sondern mit einem Abstand auf die Probe gerichtet, so würde der Gasstrom zwischen dem Rohr- ausgang und der Probe frei strömen. Das Strömungsprofil des Gasstroms würde beim Austritt aus dem Rohr verzerrt werden. Es käme zu Verwirbelungen im Bereich der Probenoberfläche und somit zu einer inhomogenen Verkratzung der Probenober- fläche.

Der Gasstrom, z. B. ein Luftstrom, wird durch Überdruck mit Hilfe eines Kompres- sors, Gebläses o. ä. oder durch Unterdruck mit Hilfe einer Vakuumpumpe, einem Sauger o. ä. erzeugt. Feststoffpartikel können dem Gasstrom geregelt oder ungeregelt zugesetzt werden, bevorzugt jedoch geregelt über einen bestimmten Zeitraum ver- teilt. Dies kann beispielsweise durch eine gravimetrisch geregelte Dosiervorrichtung erfolgen. Als Dosiervorrichtung kann aber beispielsweise auch alternativ ein Trichter nach dem Sanduhrprinzip verwendet werden. Zur Regulierung der Strömungsge- schwindigkeit ist an dem Rohr ein Stellventil angebracht. Die Strömungsgeschwin- digkeit des mit Feststoffpartikeln versetzten Gasstroms ist vorzugsweise im Bereich von 1 bis 100 m/s, besonders bevorzugt von 5 bis 50 m/s, regelbar. Bei geeigneter Wahl der Saugvorrichtung oder des Gebläses zur Erzeugung des Gasstroms, sind auch höhere Strömungsgeschwindigkeiten möglich.

Die Vorrichtung eignet sich beispielsweise zur Prüfung von Oberflächen aus Glas, Metall, Keramik oder Kunststoff, beispielsweise Lacke. Die genannten Materialien können auch als Substrat dienen, das mit einer zu prüfenden Beschichtung aus Glas, Metall, Keramik oder Kunststoff, beispielsweise Lacke, versehen ist.

Als Partikel können beispielsweise körnige Feststoffe eingesetzt werden, z. B. aus Sand, Metall oder Metalloxid. Die Partikelgröße beträgt vorzugsweise von 10 bis 2000 jim. Die Dichte der Feststoffpartikel beträgt bevorzugt von 500 bis 22000 kg/m3, besonders bevorzugt von 1000 bis 10000 kg/m3.

Üblicherweise werden Partikelmengen von 1 bis 10 g in den Gasstrom dosiert. In Abhängigkeit von der Art der Partikel und der zu prüfenden Oberfläche können je- doch auch beliebig kleinere oder größere Mengen eingesetzt werden. Die Beladung des Gasstroms mit Feststoffpartikeln beträgt vorzugsweise von 0,1 bis 500 g/m3.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Figur 1 näher erläutert.

Figur 1 zeigt ein Schema einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsge- mäßen Vorrichtung.

Durch das Vierkantrohr 1 mit einer Innenkantenlänge von 36 mm strömt ein Luft- strom, welcher mit Hilfe eines Saugers 3 erzeugt wird. Am oberen Ende des vertikal angeordneten Rohres 1 wird über einen Trichter 7 eine wohldefinierte Masse Sand o. dgl. zugeführt. Der Trichter 7 hat eine Höhe von 50 mm und eine Austrittsoffnung von 2 mm bei einem Öffnungswinkel von 40°. Der Trichter wird durch Abstands- halter über der Eingangsöffnung des Rohres 1 positioniert, so dass Luft seitlich in die Rohröffnung einströmen kann. Durch Variation der Höhe der Abstandhalter kann die Breite des Spaltes, durch den Luft seitlich eintritt, und damit die Geschwindigkeit variiert werden. Dadurch kann die Einmischung der Partikel in den Luftstrom ggf. so

optimiert werden, dass eine möglichst homogene Verteilung durch Turbulenz des Luftstroms im Rohreintrittsbereich, erzielt wird.

In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform weist das vertikal angeordnete Rohr 1 am unteren Ende einen Winkel von 45° auf, an dem sich eine Öffnung 6 befindet.

Die Öffnung 6 mit einer Größe von 57 x 34 mm befindet sich insbesondere unterhalb des Winkels, d. h. in Strömungsrichtung hinter dem Winkel, an der äußeren Seite des Vierkantrohres 1. An der Öffnung 6 ist ein Probenhalter 2 an das Rohr angebracht.

Die Öffnung 6 mit dem Probenhalter 2 ist damit so an dem Winkel positioniert, das der Gasstrom auf die Probe gerichtet ist. Der Probenhalter 2 ist insbesondere lösbar mit dem Rohr 1 verbunden. In der dargestellten Ausführungsform ist der Probenhal- ter 2 eine Platte, die z. B. mit Hilfe von Spiralfedern an die Öffnung des Rohres ge- drückt wird. Die zu prüfende Oberfläche auf dem Probenhalter 2 weist bei dieser Anordnung in das Innere des Rohres 1 und bildet somit an der Öffnung 6 eine Innen- fläche des Rohrs. Der mit Partikeln versetzte Luftstrom strömt somit unter einem definierten Winkel von 45° die Probenoberfläche an. Das Rohr 1 ist lösbar mit dem Abluftschlauch 8 o. dgl. verbunden. Insbesondere wird das Rohr 1 an dem Abluft- schlauch 8 mit Hilfe von Schraub-oder Flanschverbindungen angeschlossen. Dies ermöglicht es, das Rohr 1 durch ein Rohr mit einem anderen Winkel auf einfache Weise auszutauschen. Die Länge des vertikal angeordneten Rohrteils, und damit die Länge des Rohres zwischen Dosiervorrichtung 7 und Öffnung 6 bzw. Probenhalter 2 beträgt 1 m.

Mit Hilfe eines Stellventils 5, welches in der dargestellten Ausführungsform am Ab- luftschlauch 8 angebracht ist, wird der Volumenstrom, und damit die Strömungsge- schwindigkeit, geregelt. In dem Sauger 3 werden die Partikel, mit denen der Luft- strom versetzt worden ist, durch einen Zyklonen sowie durch Filter abgeschieden. Die Strömungsgeschwindigkeit der so gesäuberten Abluft wird durch einen ther- mischen Strömungssensor 4 erfasst.

Beispiel Mit Hilfe der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung wurden Probenkörper mit einer Oberfläche aus Polycarbonat vom Typ Makrolon (D der Firma Bayer auf ihre Kratz- festigkeit geprüft. Die Oberfläche war nicht zusätzlich kratzfestbeschichtet. Die Pro- benkörper hatten eine Größe von 40 x 60 mm bei einer Dicke von 2 mm. Die Öff- nung des Rohres betrug 34 x 57 mm, was der Fläche der Prüfoberfläche entspricht.

Als Feststoffpartikel wurde Quarzsand mit einer Korngrößenverteilung von 125 bis 250 pm verwendet. 3,5 g Quarzsand mit einer Dichte von 1500 kg/m3 wurde mit Hilfe eines Trichters mit einer Höhe von 50 mm und einer Austrittsöffnung von 2 mm bei einem Öffnungswinkel von 40° dem Luftstrom zudosiert. Die Zeitspanne, in der der Quarzsand über den Trichter in das Rohr rieselte, betrug-abhängig auch von der gewählten Strömungsgeschwindigkeit des Luftstroms-maximal 15 s. Dies ent- spricht der Dauer der abrasiven Belastung der Prüfoberfläche.

Die Länge des Rohres zwischen Rohreingangsöffnung mit der Dosiervorrichtung und der Probenoberfläche betrug 1 m. Die Rohrinnenkantenlänge betrug 36 mm. Der An- strömwinkel betrug 45°. Der Luftstrom wurde mit Hilfe eines Saugers erzeugt.

Jeweils 3 Probenoberflächen wurden mit Anströmgeschwindigkeiten von 10,20, 30 und 40 m/s geprüft, um die Reproduzierbarkeit der Versuche zu testen. Die Beladung des Luftstroms mit Partikeln betrug bei 10 m/s 18 glum3, bei 20 m/s 9 g/m3, bei 30 m/s 6 g/m3 und bei 40 m/s 4,5 g/m3.

Nach der Verkratzung der Oberfläche wurde die optische Trübung mit Hilfe eines Trübungsmessgerätes der Firma HunterLab, Modell D25D2P, gemäß der Norm ASTM D1003-95 gemessen. Dabei wird eine getrübte transparente Probe mit einem parallelisierten Lichtbündel durchleuchtet und der Anteil des durch die Probe diffus gestreuten Lichts im Vergleich zur Gesamtintensität ermittelt. Bei diesen Messungen wurde ein kreisförmiger Ausschnitt der Probenoberfläche mit einem Lichtbündel mit 25 mm Durchmesser untersucht.

Die Messergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Die optische Trübung in % entspricht dem Anteil des durch die Probe diffus gestreuten Lichts im Vergleich zur Gesamtintensität des Lichts. Deutlich zu erkennen ist die Abhängigkeit der optischen Trübung von der Strömungsgeschwindigkeit, wobei die Messwerte sehr gut reprodu- zierbar sind. Die relative Standardabweichung ist kleiner als 2,3 %. Anströmgeschwindigkeit Optische Trübung Relative Standardabweichung [m/s] [%] [%] 10 5, 4 10 5, 3 1, 85 10 5, 5 20 12 20 12, 2 0, 83 20 12, 1 30 18, 4 30 18, 6 1, 64 30 19 40 26,1 40 25 2, 28 40 25, 9

Tabelle 1 : Optische Trübung in Abhängigkeit von der Anströmgeschwindigkeit.

Um die Homogenität der Verkratzung zu testen, wurden zusätzliche Messungen der optischen Trübung an einer Probe, welche mit einer Anströmgeschwindigkeit von 40 m/s und einem Anströmwinkel von 45° verkratzt wurde, durchgeführt, wobei der Durchmesser des Lichtbündels mit Hilfe einer Blende auf 10 mm verringert wurde. Dies ermöglicht, kleinere Ausschnitte der Probenoberfläche zu durchleuchten, wobei messtechnisch bedingt kleinere Trübungswerte auftreten.

Auf der Probenoberfläche von 34 x 57 mm wurde an 12 Messpunkten in Form einer 3x4-Matrix die optische Trübung gemessen. Die Messwerte sind in Tabelle 2 zu- sammengefasst. Die Messungen zeigen die hohe Homogenität der Verkratzung auf der geprüften Oberfläche. Die relative Standardabweichung betrug 1,83 %. Messpunkt x, mm y, mm Optische Trübung, % Relative Standardabweichung, % 1 5 5 10, 8 2 15 5 10, 7 3 25 5 10,6 4 35 5 10, 9 5 5 15 11,3 6 1515 10, 7 7 25 15 10,9 1, 83 8 35 15 10, 8 9 5 25 10, 9 10. 15 25 10, 6 11 25 25 10, 6 12 35 25 10, 9 Tabelle 2 : Optische Trübung an verschiedenen Messpunkten auf der Prüfoberfläche