金属工件的表面处理及胶接工艺对胶接剪切强度的影响

不锈钢试片 是否砂磨
剪切强度 /MPa
盐酸法 经表面砂磨处理 31. 9
未砂磨处理
30. 5
草酸 -硫酸法 经表面砂磨处理 34. 0
氧化法 未砂磨处理
34. 1
磷酸阳极氧化法 经表面砂磨处理 26. 6
配比 (质量份 ) : CYD128 环氧树脂 80 份 ; DDS 22份 ; PPGGE 4份 。
混胶工艺 :烧杯中称入 PPGGE、环氧树脂 ,开动 搅拌 、升 温 , 于 110 ～120℃下 搅 拌 1h。然 后 加 入
收稿日期 : 2006 - 08 - 24 作者简介 :周建芳 (1976 - ) ,男 ,湖南省宜章县人 ,现桂林工学院材料与化学工程系研究生 ,材料学专业 ,现从事耐高温航空胶黏剂的研究 。
DDS, DDS全部溶解 、物料变成透明液体后立即降 温 ,降至 85～90℃搅拌 1h后出料 ,得到淡黄或近无 色透明的胶黏剂 ,室温下为黏稠树脂状 。 1. 3 剪切强度试样定位装置
参见图 1,剪切强度试样通过挡板和夹具精确 定位 ,确保粘接面的精度为 12. 5 ±0. 5mm ×25. 0 ± 0. 5mm。通过调整弹簧的压缩量来调节胶接时对胶 接面所施加的压力 。
ZHOU J ian - fang, L I An and RAO Bao - lin (D epa rtm ent of M aterial and Chem ical Eng ineering, Gu ilin Institu te of Technology, Gu ilin 541004, Ch ina) Abstract: The influences of surface treatments, the p ressures during bonding p rocess and the thickness of adhesive layer on shearing strength were investigated with epoxy resin - DDS curing system as adhesive. The results showed that the shear strength of stainless steel which was treated by hydrochlo2 ric acid method and oxalic acid - sulfuric acid method was best, and the shear strength of the alum inum alloy which was treated by sodium silicate - pyro2 phosphate method was excellent. The adhesion and bonding effect were good when the p ressure and thickness of adhesive were 0. 1～0. 4MPa and 0. 10～ 0. 23mm respectively. The physicochem ical p roperties of metal surface was varied by the moderate corrosion of surface treatment agents, so the metal sur2 face showed better wettability and adsorbability, and it imp roved the shear strength effectively. Key words: Metal surface treatment; bonding technology; shear strength; thickness of adhesive layer
在 93℃下烘干 。 铬酸 - 硫酸氧化法 : 处理液配比 (质量份 ) : 重
铬酸钾 20份 ;浓硫酸 60份 ;水 200份 。将试片浸入 55～65℃处理液中 10～15m in。
磷酸阳极氧化法 : 处理液 : 10%磷酸 , 5g /L 草 酸 , 0. 1g /L 十二烷基磺酸钠 。铝做阴极 ,不锈钢试 片做阳极 ,电压 6V ,直流电流密度 0. 3～0. 7A / dm2 , 处理时间 10m in。
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2007年第 29卷第 1期
化学与黏合 CHEM ISTRY AND ADHESION
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硫酸阳极氧化法 :处理液 :浓 H2 SO4 200g /L。铝 做阴极 ,不锈钢试片做阳极 ,电压 5V ,直流电流密度 0. 5～1. 0A / dm2 ,处理时间 10m in。 1. 6 测试方法 、测试及形态分析设备
剪切强度按 GB / T 7124 - 1986胶黏剂拉伸剪切 强度测定方法 (金属对金属 )规定进行 ,用日本岛津 公司 AG - 201 电子万能试验机在室温下测试 。采 用恒一精密仪器有限公司生产的数字式显微镜观察 试片表面的形态 。使用 LZ - I型赫尔槽试验仪 (武 汉龙泽电子有限公司 )进行磷酸阳极氧化处理和硫 酸阳极氧化处理 。
2 结果与讨论
2. 1 试片表面处理工艺对剪切强度的影响 采用各种方法分别对不锈钢 、铝合金试片进行
了表面氧化处理 ,测定了相应的试样的剪切强度 ,结 果见表 1。可以看出 ,经盐酸氧化法和草酸 - 硫酸 氧化法处理的不锈钢表面的胶接强度最好 ,剪切强 度分别比未经任何处理的不锈钢表面剪切强度提高 了 116%和 130% ,而硅酸磷酸钠法对铝合金表面处 理效果最好 ,比未经任何处理的铝合金表面剪切强 度提高了 152%。其它的氧化法也比未经任何处理 的表面剪切强度有不同程度的提高 ,由于采用盐酸 法和草酸 - 硫酸法氧化法处理不锈钢表面后 ,去除 了旧的表面层 ,形成新的活化层并使表面层粗糙化 , 因而不用砂磨处理就可以达到很理想的胶接效果 。
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周建芳等 ,金属工件的表面处理及胶接工艺对胶接剪切强度的影响
Vol. 29. No. 1, 2007
表 1 不同的表面处理方法对剪切强度的影响
Table 1 Effect of different surface treatment methods on shear strength
处理方法
关键词 :金属表面处理 ;胶接工艺 ;剪切强度 ;胶层厚度 中图分类号 : TQ 433. 437 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 - 0017 (2007) 01 - 0030 - 03
Effect of M etal Surface Treatment and Bonding Technology on Shear Strength
艺条件 。
1 实验部分Fra Baidu bibliotek
1. 1 原材料 环 氧 树 脂 : 牌 号 CYD128, 环 氧 值 0. 52mol/
100g,岳阳石化总厂环氧树脂厂 ; 4, 4′二氨基二苯砜 (DDS) :纯度不低于 99% ,苏州寅生化工公司 ;聚丙 二醇二缩水甘油醚 ( PPGGE) :环氧值 0. 29mol/100g (实测值 ) ,韩国产 ; 1C r18N i9Ti不锈钢 :市售 ,厚度 3mm; LY12 - CZ铝合金 : 市售 ,厚度 3mm。其余材 料均为化学纯 。 1. 2 胶黏剂配比及混胶工艺
沸水浸泡 →干燥 →施胶 。 (1)砂磨 :用 100～120 号砂纸打磨试片的胶接
面 ,使胶接面处处可见金属光泽 ; ( 2 )除油 (碱洗 ) : 在 5% ～10%、35～40℃的 NaOH 水溶液中浸泡 5～ 10m in后 ,立即用自来水冲洗干净 ; ( 4)氧化处理 :分 别采用盐酸氧化法 、铬酸 - 硫酸氧化法 [ 3 ] 、草酸 - 硫 酸氧化法 [ 3, 4 ] 、硅酸磷酸钠法 [ 3 ] 、磷酸阳极氧化法和 硫酸阳极氧化法 [ 4, 5, 6 ] 对试样 进行 表面 氧化 处理 ; (5)清洗 :先用自来水冲洗干净 ,再用蒸馏水冲洗 2 遍 ; (6)干燥 :在保持沸腾的蒸馏水浸泡 2～3m in后 取出 ,甩去试片表面的挂水后 ,试片自动干燥 。 ( 7 ) 施胶 :经过表面处理的试片保持在干燥器内 , 24h内 施胶 。 1. 5 试片表面氧化处理工艺及处理剂配比
图 1 固化夹具及定位装配简图 Fig. 1 Scheme of curing fixture and fixing 1. 夹具 ; 2. 被粘接的金属工件 ; 3. 档板 ; 4. 集胶口 ; 5. 胶层 ; 6. 压头 ; 7. 弹簧 ; 8. 弹簧压缩推板 ; 9. 通气
1. 4 试片表面处理工艺流程 砂磨 →除油 (碱洗 ) →氧化处理 →冷水冲洗 →
引 言
随着胶黏剂及胶接技术的不断进步 ,胶接技术 应用日益广泛 ,现已成为航空航天 、船舶 、机械 、电机 电器和微电子等现代工业不可缺少的技术 。工程上 大量的结构件采用了胶接技术 ,简化了制造工艺 ,降 低了制造成本 ,减轻了结构件的质量 ,提高了连接件 的耐疲劳性能和可靠性 [ 1, 2 ] 。不锈钢和铝合金是工 程上常用的材料 ,这些材料由于不易焊接 ,而铆接和 螺钉连接又会产生许多缺陷 ,因此经常采用胶黏剂 胶接固定 。然而影响胶接强度的因素比较多 ,其中 工件表面处理工艺是一个非常重要的影响因素 ,采 用不同的表面处理工艺得到的胶接强度往往有很大 的区别 。本文在胶黏剂和固化条件相同的前提下 , 对比了不同表面处理方法 、不同的胶接压力及不同 胶层厚度的试样的剪切强度 ,获得了最佳的胶接工
由表 1还可以看到 ,经磷酸阳极氧化法和硫酸 阳极氧化法处理的金属试片的表面虽然浸润效果良 好 ,但剪切强度明显偏低 。这是因为经表面处理后 表面形态较盐酸氧化法和草酸 - 硫酸氧化法差 ,易 产生空隙导致应力集中 ,形成“弱界面层 ”[ 3 ] ,最终 导致层界面破坏 。
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盐酸氧化法 :试片浸入 40～50℃的 10% HCl溶 液中保持 10～20m in。
草酸 - 硫酸氧化法 : 处理液配比 (质量份 ) : 草 酸 24份 ;浓硫酸 20 份 ; 水 200 份 。试片浸入 85 ～ 90℃处理液中 ,氧化至试片表面呈褐色为止 。
硅酸磷酸钠法 :硅酸钠 4g,焦磷酸钠 2g, NaOH 2g,十二烷基磺酸钠 0. 62g,蒸馏水 200g,将试片浸 入 70～85℃上述处理液中 10m in,蒸馏水冲洗浸泡 ,
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周建芳等 ,金属工件的表面处理及胶接工艺对胶接剪切强度的影响
Vol. 29. No. 1, 2007
金属工件的表面处理及胶接工艺 对胶接剪切强度的影响
周建芳 , 李 安 , 饶保林
(桂林工学院 材料与化学工程系 ,广西 桂林 541004)
摘要 :采用环氧树脂 - DDS固化体系作为胶接剂 ,探讨了各种金属表面处理方法 、胶接时对胶接面施加的压力 、胶层厚度 等因素对胶接剪切强度的影响 。结果表明 ,对不锈钢工件采用盐酸氧化法及草酸 - 硫酸氧化法进行表面处理 ,得到的胶接剪 切强度最好 ;对铝合金工件采用硅酸磷酸钠法进行表面处理 ,得到的胶接剪切强度最高 。胶接时对胶接面施加 0. 1～0. 4M Pa 的压力 、胶层厚度在 0. 10～0. 23mm 范围内时胶接效果最好 。由于处理液对金属表面产生适度的化学腐蚀 ,改变了金属表面 的物理化学性质 ,表现出更好的可浸润性和更强的表面吸附力 ,可以有效地提高胶接剪切强度 。