Лако-красочные материалы — производство

При выборе клеев для металлов не­обходимо учитывать следующие условия:

1. Клеи не должны вызывать (или способствовать) коррозии металлов.

2. Металлы не должны оказывать каталитического влияния на процессы отверждения клея.

3. При отверждении клея нежелательно выделение летучих веществ.

4. Для лучшего заполнения микронеровностей поверх­ности вязкость клея должна быть невысокой, но достаточ­ной для образования прослойки требуемой толщины.

5. Для лучшего восприятия соединением деформаций (температурных и др.) прослойка отвержденного клея должна быть достаточно эластичной.

6. Состав клея должен обеспечивать получение про­слоек, обладающих максимальными показателями проч­ности.

Форма и поверхность металлических деталей, подго­тавливаемых к склеиванию, также должны удовлетворять определенным требованиям. На поверхности их не долж­но быть ржавчины, окалины, следов от фрезерования или штампования, выбоин от молотка и других вмятин. Что­бы получить ровный и относительно тонкий клеевой шов, Детали должны плотно прилегать одна к другой, т. е. смежные поверхности их должны быть ровными и глад­кими. На деталях нельзя оставлять односторонние за­усенцы, так как они препятствуют плотному соединению поверхностей.

Особые трудности возникают при склеивании больших листов. Кромку листов, как правило, рихтуют, выравни­вают, после чего в металле остаются внутренние напря­жения, дополняющие напряжения от рабочих нагрузок. Вследствие этого клеевое соединение может разрушиться даже при сравнительно небольших рабочих нагрузках.

Если при склеивании детали входят одна в другую, например в цилиндрических и пазовых соединениях, меж­ду ними должен быть зазор от 0,1 до 0,3 мм. При более точной подгонке деталей зазоры могут быть меньше 0,1 мм. При вклеивании деталей в углубления воздух должен быть удален (не через зазор!), иначе клеевой шов будет неплотным.

Исключительно важно подготовить поверхности ме­таллов к склеиванию. В процессе изготовления, транспор­тирования, хранения, обработки металлов на поверхности их образуются оксидные пленки, осаждаются пыль, жир, адсорбируются влага, газы и другие вещества, препятст­вующие смачиванию металла клеем. Так как получить совершенно чистую поверхность металла практически не­возможно, основной целью подготовки деталей к склеи­ванию является активизация поверхности, заключающая­ся в удалении пленок и наслоений, в замене среды, в ко­торой может происходить адсорбция.

В процессе очистки под влиянием среды (водной, воз­душной, органических растворителей и их паров, инерт­ных газов и в вакууме) поверхность металла приобрета­ет в ряде случаев новые свойства, например способность адсорбировать гидрофильные вещества вместо гидрофоб­ных (водоотталкивающих). Толщина вновь образованных (адсорбированных) слоев должна быть минимальной, так как от нее зависит прочность сцепления клея с поверхно­стью. Адсорбированные слои, как правило, химически не соединяются с клеем, поэтому клеевые соединения разру­шаются по этим слоям. Утолщение адсорбированных слоев происходит наиболее интенсивно в начальных ста­диях адсорбции, поэтому клей следует наносить сразу после окончания обработки поверхности.

Оксидные пленки, сцепление которых с металлом весьма различно, также влияют на прочность склеивания. Обычно такие пленки (ржавчина, окалина) отстают от металла вместе с клеевой прослойкой. Прочность соеди­нения при этом невысокая. В других случаях после тща­тельного обезжиривания достигается нужная прочность, даже при наличии оксидной пленки на металле, однако при этом наблюдается сильный разброс результатов ме­ханических испытаний.

При подготовке поверхности металла к склеиванию применяют два вида обработки: механический и химичес­кий. Выбор способа обработки того и другого вида зави­сит от степени ответственности соединения, величины и характера его нагружения в эксплуатации. Обычно каж­дое изделие обрабатывают и механически, и химически.

Механическая обработка состоит из очистки поверхности металла абразивными инструментами (наж­дачными кругами, брусками, бумагой), напильниками, песком, пастами, металлическими опилками, щетками и т. п. Способ обработки выбирают, учитывая коррозион­ную стойкость и твердость металла. Грубая механичес­кая обработка, в том числе пескоструйная, оставляет глу­бокие риски (углубления) на поверхности некоторых мяг­ких металлов, что способствует в дальнейшем проника­нию агрессивных сред под клеевой слой. При тонкой очистке (шлифовке) поверхность становится намного ровнее, глубина микровпадин лежит в более узких гра­ницах, а это повышает стойкость, герметичность и дли­тельность сопротивления клеевых соединений.

Предложен вибрационный способ механической обработки, за­ключающийся в том, что наполнитель в клее, обладающий абразив­ными свойствами, при вибрации соединения очищает поверхности, на которые нанесен клей. Продукты очистки и наполнитель остаются в отвержденной клеевой прослойке.

Химическая обработка поверхности заключа­ется в растворении жировых и других наслоений, травле­нии оксидных пленок, нанесении гальванических по­крытий.

Средства обезжиривания должны быть легко летучи, по возможности безвредны, обладать высокой растворяю­щей способностью, не реагировать с металлом. Для обез­жиривания применяют ацетон, бензин, керосин, петролей — ный эфир, трихлорэтилен, перхлорэтилен, водно-щелоч­ные растворы (мыла и т. п.), а также эмульсии воды в бензине, уайт-спирите, керосине. В некоторых случаях обезжиривание эмульсиями более эффективно, чем орга­ническими растворителями, так как жировые вещества не только растворяются, но и эмульгируются. Необходи­мо учитывать и то, что эмульсии дешевле органических растворителей.

Ацетон, бензин и другие общеизвестные растворители используют при ручной обработке поверхности деталей. Недостатком этих средств очистки является воспламеняе­мость, взрывоопасность паров. Трихлорэтилен обладает чрезвычайно малым поверхностным натяжением, поэтому легко проникает, особенно в парообразном состоянии, в мельчайшие поры. Он невзрывоопасен, но пары его ток­сичны. Длительность обработки парами трихлорэтилена 5 мин. Водно-щелочные растворы менее опасны, однако и они могут вызвать коррозию металла. Поэтому после об­работки этими растворами детали рекомендуется пропо­ласкивать в теплой воде. Водно-щелочные растворы со­стоят из тринатрийфосфата (50—70 г/л), жидкого стекла (25—30 г/л) и жидкого мыла (3—5 г/л). Обработка про­изводится в течение 3—5 мин при 75—80° С. В тех случа­ях, когда допустим длительный контакт металлов с во­дой, для очистки поверхности применяют также моющие средства ОП-4, ОП-7 или ОП-10. Очищают изделия мою­щими средствами при помощи волосяных щеток и других приспособлений. Детали сложного профиля, у которых в мельчайших углублениях могут сохраниться остатки моющих средств, вызывающих коррозию, тщательно промывают после обработки.

Механическое воздействие и обезжиривание сочетает ультразвуковой метод очистки. Детали загружают в бак с водным раствором моющих средств или с органи­ческим растворителем. Очистка осуществляется при не­прерывном протекании обезжиривающего средства через бак, в котором возбуждаются ультразвуковые колебания удельной мощностью 5—10 вт/см2. Колебания передаются с жидкости на деталь, и частички наслоений отделяются от поверхности и удаляются раствором. Необходимо иметь в виду, что в зависимости от размеров очищаемых деталей или вида загрязнения частота колебаний должна быть разной. В процессе циркуляции обезжиривающее средство фильтруется. Такая технология обеспечивает высокую производительность и хорошую очистку. Так как установки довольно дороги, их использование оправ­дывается только при серийной обработке сложных де­талей.

Для удаления окалины, оксидных пленок и продуктов коррозии с поверхности стали, меди, никеля, алюминия, вольфрама и сплавов используют травление в растворах
серной, соляной или азотной кислот. Перед травлением поверхность металла тщательно обезжиривают.

Ниже указывается последовательность операций, а также составы растворов при очистке поверхности раз­личных металлов.

Углеродистая сталь: 1— обезжиривание в щелочном растворе;

2__ тщательное прополаскивание в воде при комнатной температуре;

3—погружение на 2—4 мин при 15—22° С в раствор, состоящий из 10 об. ч. серной кислоты (пл. 1,84), 10 об. ч. азотной кислоты (пл. 1.42) и 80 об. ч. дистиллированной воды; 4 — тщательное пропо­ласкивание в воде (18—20°С); 5 — погружение на 30—60 сек в рас­твор, состоящий из 50—60 об. ч. соляной кислоты плотностью 1,26, 2 об. ч. 30%-ной перекиси водорода, 38—48 об ч. дистиллированной воды; 6 — тщательное прополаскивание в холодной, а затем в теплой (55е С) воде и высушивание.

Нержавеющая сталь: 1 — обезжиривание в щелочном растворе;

2 — тщательное прополаскивание в холодной воде; 3—погружение на 10 мин в раствор (60—65°С), состоящий из 46 об. ч. концентри­рованной соляной кислоты, 10 об ч. формалина, 2 об. ч. перекиси во­дорода, 42 об. ч. дистиллированной воды; 4 — тщательное прополас­кивание в холодной воде и высушивание.

Алюминий и его сплавы: 1 — обработка в парах трихлорэтилена в течение 5 мин; 2—промывание в воде при 60° С в течение 20 мин;

3 — двойное прополаскивание в холодной воде в течение. 5 мин; 4 — травление в течение 20 мин в растворе (60° С), состоящем из 27,3 вес. ч. серной кислоты (пл. 1,84), 7,5 вес. ч. бихромата нагрия, 65,2 вес. ч. дистиллированной воды; 5 — двойное прополаскивание в холодной воде в течение 5 мин; 6 — кратковременное прополаскивание в горя­чей воде (60°С); 7—высушивание в потоке теплого (60°С) воздуха в течение 30 мин.

Ускоренный метод обработки поверхности алюминия: 1 —обезжи­ривание органическим растворителем; 2 — погружение на 1 мин в раствор (20°С), состоящий нз 4 вес. ч. фтористого натрня, 25 вес. ч. азотной кислоты, 71 вес. ч. дистиллированной воды; 3—прополаски» вание в холодной воде; 4 — погружение на 1 мин в раствор (60° С), состоящий из 30 вес. ч. серной кислоты, 8 вес. ч. бихромата натрия, 6 вес. ч дистиллированной воды; 5 — тщательное прополаскивание в холодной воде и высушивание.

Магний: 1—обезжиривание в трихлорэтилене; 2—погружение на 10 мин в раствор (80еС), состоящий из 6 вес. ч. метасиликата нат­рия, 3 вес. ч. гидроокиси натрия, 3 вес. ч. тетрапирофосфата натрия, .1 вес. ч. поверхностно-активной добавки, 300 вес. ч дистиллированной воды; 3—промывание в проточной воде, 4 — погружение на 15 мин В 20%-ный горячий раствор трехокиси хрома (65°С); 5 — трехкратное прополаскивание в дистиллированной холодной воде; 6—погружение на 30 сек в кипящую дистиллированную воду; 7 — высушивание на воздухе.

Латунь: I — обезжиривание трихлорэтиленом; 2— погружение на 2—4 мин в раствор (20°С), состоящий из 15 об.-ч. 42%-ного раство­ра хлорного железа, 30 об. ч. концентрированной азотной кислоты, 197 об. ч. дистиллированной воды; 3 — тщательное прополаскивание в холодной и теплой воде и высушивание.

При склеивании бронзы и цинка лучшие результаты дает меха­ническая обработка: шлифование и очистка металлическими щетка­ми. Оставшиеся на поверхности частицы удаляются прополаскиванием в щелочном растворе нли бензине.

Вода во всех случаях должна быть мягкой или умягченной.

Один из эффективных методов подготовки поверхно­сти металлов к склеиванию — нанесение гальванических покрытий, в частности анодирование поверхности. Повы­шенная адгезия многих клеев к анодным пленкам объяс­няется их большей по сравнению с необработанными ме­таллами полярностью.

От способа обработки поверхности зависит прочность склеивания металлов. При механической обработке твер­дых металлов (сталь, чугун) наилучшие показатели полу­чают при обдувании песком или металлическими опилка­ми и грубом шлифовании наждачным кругом или наж­дачной бумагой. При тонком шлифовании и полировке прочность соединения этих металлов может снизиться в 2—3 раза по сравнению с грубым шлифованием. Для не­которых чувствительных к механической обработке металлов (свинец, медь) и сплавов (латунь) гру­бая обработка непримени­ма ввиду образования чрезмерно неровной ос­лабленной поверхности. Грубая обработка дает хорошие результаты

Большей частью при скле­ивании клеями холодного отверждения. Клеи горя­чего отверждения требу­ют чисто обработанной поверхности с неровностя­ми порядка 10 мк.

От степени шерохова­тости поверхности зависит толщина клеевой прослойки, влияющая в свою очередь на прочность клеевых соеди­нений металлов. Наибольшая прочность получается при достаточно малой толщине клеевой прослойки. Так, при уменьшении средней толщины клеевой прослойки от 600 до 40 мк предел прочности соединения стали со сталью
на феноло-каучуковом клее горячего отверждения воз^ растает в 2,5 раза (рис. 8).

Величина крутящего момента, передаваемого цилин­дрическим сопряжением стальных шлифованных деталей; скрепленных эпоксидным клеем горячего отверждения, при одних и тех же показателях чистоты обработки по­верхности также возрастает при уменьшении толщины

20 ио 60 80 Too 120 т 160180 Толщина клеевого шва-. мк

Рис. 9. Зависимость величины передавае­мого крутящего момента от толщины клеевой прослойки в соединении на эпок­сидном клее стального стержня диамет­ром 19 мм со стальной втулкой длиной 45 мм

Клеевой прослойки (рис. 9). Поскольку напряжения сдви^ га при кручении мало искажаются под влиянием геомет­рических характеристик соединения, то прочность его из­меняется закономерно По параболе в интервале толщин клеевого шва от 10 до 180 мк.

Обработанная механическим способом поверхность непористых материалов представляет собой систему вы1 ступов и впадин, размеры которых могут отличаться Друг от друга в десятки и сотни раз. Например, средняя высота микронеровностей поверхности металлов, опреде­ляемая как среднеарифметическое высот микронеровно­стей Н от гребня до дна впадины (рис. 10), составляет для наиболее распространенных 3—6 классов чистоты об­работки 63—6,3 мк длина макромолекул линейных поли*’ меров составляет 0,1—10 мк, а поперечный их размер, 0,0003—0,0007 мк. При указанных соотношениях разме­ров макромолекул полимеров и микронеровностей только
часть поверхности входит в контакт с клеем [16], причем проникание макромолекул во впадины ограничивается не только их размерами, но и силами внутреннего сцепления в жидком клее, наличием адсорбированных на поверхно­сти частиц воды и жира, неоднородностью клея.

О том, что клей не заполняет всех микровпадин или заполняет их частично, свидетельствуют результаты испытаний клеевых соединений металлов на действие воды и растворов солей. Почти для всех клеев можно

Отметить проникновение агрессивных сред и возникнове­ние коррозионных явлений на поверхности металлов под клеевым слоем. При недостаточной устойчивости металла клеевой слой может отделяться от поверхности в области очагов коррозии. Это является результатом разрушения гребней растворами, проникшими по наиболее крупным, не заполненным клеем впадинам.

Для достижения большей химической стойкости сое­динения лучше склеивать поверхности с высокой сте­пенью чистоты обработки. Но, как уже отмечалось, такие Соединения обладают меньшей механической прочностью

По сравнению с соединениями шероховатых поверхно­стей.

Прочность клеевых соединений возрастает пропорцио­нально увеличению шероховатости. Объяснение этому следует искать в физико-химических явлениях на грани­це клеевой прослойки, главным образом в явлениях ад­гезии, поскольку когезионная прочность клея является величиной постоянной для одного и того же технологиче­ского режима склеивания.

С увеличением шероховатости поверхности появляет­ся больше активных центров, поэтому адгезия возрастает. Когда шероховатость превосходит некоторый предел, рост прочности соединений прекращается, так как проис­ходит нарушение клеевой прослойки отдельными круп­ными гребнями, которые противодействуют образованию упорядоченной структуры макромолекул и созданию сплошной однородной клеевой прослойки.

При химической обработке поверхность металла име­ет незначительную шероховатость, тем не менео проч­ность соединений достаточно высока, что объясняется хи­мической активизацией поверхности, возможностью действия на ней различных сил адгезии. Разброс показа­телей прочности при этом меньше.

Исследованиями установлено, что в зависимости от состава растворов, применяемых для химической очистки поверхности, прочность склеивания и стойкость клеевых соединений может быть значительно более высокой, чем только при механической зачистке или обезжиривании органическими растворителями.

Существенно влияют на прочность соединений усло­вия высушивания деталей после химической обработки. Большинство металлов, главным образом легкие сплавы, покрываются ‘на воздухе заметными на глаз оксидными пленками, толщина которых быстро увеличивается в на­чале высушивания. Поэтому склеивать надо немедленно после очистки поверхности. Следует заметить, что при у высушивании деталей в незагрязненной атмосфере влия­ние оксидных пленок на прочность соединений незначи­тельно. Наоборот, продолжительное пребывание обрабо­танных деталей в производственной атмосфере или на открытом воздухе значительно снижает прочность сцеп­ления клея с металлами.

На свойства клеевой прослойки, в частности на стой­кость к коррозии и старению, на водо — и теплостойкость влияет химическая активность металлов. При нагревании соединений некоторые металлы (их окислы или компо­ненты сплава) влияют на клей каталитически, ускоряя процессы деструкции полимера. От степени этого влия­ния зависит долговечность клеевых соединений.

Прочность клеевых соединений зависит во многих слу­чаях и от упруго-пластических свойств металлов — пре­дела текучести, модуля упругости.