141 Влияние клеевого соединительного слоя на пластическую

Секция 6 «МАШИНЫ И ТЕХНОЛОГИИ ЗАГОТОВИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА», Подсекция «Машины
и технологии обработки металлов давлением».
Влияние клеевого соединительного слоя на пластическую деформацию
многослойного листового материала
к.т.н., доц. Типалин С.А., Плотников А.А.
МГТУ "МАМИ"
В современном мире широкое распространение получили многослойные
материалы, которые используются во многих отраслях промышленности: авиастроении,
станкостроении, автомобилестроении, гражданском строительстве и т.д.
Считаем, что многослойный материал – материал, состоящий из нескольких слоёв,
каждый слой
которого несёт своё функциональное назначение; при этом слои
многослойного материала должны быть связаны между собой на молекулярном уровне.
Многослойный материал – это не конечное изделие, а многослойная заготовка, которую
можно подвергать технологическим операциям для получения готового продукта. В
соответствии с этим определением многослойные материалы разделяются по своему
функциональному назначению. Одни призваны ограждать человека от чрезмерного шума
(шумопоглотители или антифоны), другие от чрезмерной вибрации (виброгасители),
третьи применяются для получения повышенных упругих свойств изделия – для
повышения его демпфирующей способности (такие материалы, к примеру, получили
широкое распространение при проектировании спортивного инвентаря).
Остановимся более подробно на антифонах. Антифоном называется материал,
основной задачей которого является снижение уровня шума. Антифоном может быть как
однослойный материал (к примеру, пористые панели), так и многослойный. При
рассмотрении многослойного антифона подробнее остановимся на конструкции метал –
полимер – метал, состоящей из двух металлических листов, соединённых между собой
слоем полимера. В качестве полимера будем рассматривать клей, или адгезив с
определёнными физико-механическими свойствами. Поскольку антифон будет
исследоваться на возможность применения в качестве материала для получения конечного
изделия в процессах листовой штамповки (вытяжка, обтяжка), в первую очередь
необходимо выяснить, какими свойствами должен обладать соединительный слой, чтобы
был возможен
процесс листовой штамповки многослойного материала, и какие
изменения нужно будет внести в технологический процесс по сравнению с процессом
деформирования простого однослойного металла. Для понимания сути проблемы
разберёмся в процессе склеивания, видах клеёв и их назначении.
Склеиванием называют способ получения неразъемного соединения путем
адгезионного взаимодействия клея (адгезива) и склеиваемых поверхностей [1]. Такой
способ используется для всех материалов подложек, независимо от их физической
природы. Необходимо отметить, что хорошими адгезионными свойствами обладают
многие вещества, имеющие растительное (смола, сок растений) или животное (кровь,
чешуя рыб, слюна птиц и т.д.) происхождение.
Клеи классифицируются по следующим группам [3]:
1. По температуре склеивания:
а) Холодного отверждения (при температуре ниже 20 градусов);
б) Клеи, отверждающиеся без нагрева (при комнатной температуре);
в) Клеи с умеренной температурой отверждения (от 31 до 100 градусов);
г) Клеи горячего отверждения (выше 100 градусов).
2. По происхождению:
Натуральные и синтетические
3. По прочности:
Конструктивные и неконструктивные.
4. По стабильности свойств во времени:
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
141
Секция 6 «МАШИНЫ И ТЕХНОЛОГИИ ЗАГОТОВИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА», Подсекция «Машины
и технологии обработки металлов давлением».
Тип INT – выдерживают воздействие холодной воды, не стойкие к воздействию
микроорганизмов (на основе феноло - и резорцинформальдегидных смол);
Тип MR – клеевые соединения, стойкие к действию влаги и умеренно стойкие к
действию климата, получены на основе формальдегидных смол, выдерживают
климатическое старение на открытых площадках в течение нескольких лет, при
дополнительном кипячении разрушаются;
Тип BR – клеевые соединения, стойкие к действию кипящей воды, выдерживают
действие холодной воды в течение многих лет и очень стойки к действию
микроорганизмов, при длительных климатических испытаниях разрушаются;
Тип WBT – клеевые соединения стойкие к действию климата и кипящей воды
(основной компонент – фенольные смолы).
Кроме того, клеи классифицируются по клеевой основе, консистенции и
температуре склеивания [3].
По клеевой основе:
а) Органические (животного и растительного происхождения);
б) Неорганические (клеи, созданные искусственным способом).
По консистенции:
а) Твёрдые (в виде кусков прутка, гранул, порошка);
б) Жидкие;
в) Пастообразные.
По отношению к температуре склеивания:
а) термореактивные:
- однокомпонентные (отверждаются под действием высокой температуры);
- двухкомпонентные (отвердевают под действием катализатора или отвердителя
при нормальных и повышенных температурах);
- многокомпонентные (отвердевают под действием катализатора или отвердителя
при нормальных и повышенных температурах);
б) термопластичные (могут быть в виде раствора, образуют клеевую плёнку).
Клеи на основе термореактивных смол
ФФС – клеи на основе фенолформальдегидных смол – применяются для
склеивания древесины, пластиков, фанеры, пенопластов и других пористых материалов.
Клеи на основе эпоксидных смол (олигомеров с молекулярной массой 200-3000)
- Отличаются хорошей адгезией к металлам, нейтральны по отношению к
склеиваемым материалам, не выделяют летучих продуктов и имеют малую усадку в
процессе отверждения.
- Клеевой шов обладает хорошими физико-механическими и диэлектрическими
характеристиками.
Эпоксидные смолы могут быть использованы в виде растворов, замазок, прутков,
порошков и плёнок. Прочность этих клеевых соединений практически не зависит от
толщины клеевого слоя.
В качестве отвердителей применяют ангидриды кислот (малеиновой, фталевой,
тетрогидрофталевой) и амины.
Полиуретановые клеи (ПУ)
Характеризуются высокой адгезией к большинству материалов.
Устойчивы к действию воды и растворителей, имеют хорошую эластичность и
термостойкость. Из-за содержания токсичных элементов в составе ПУ клеёв следует
применять специальное оборудование для их нанесения (марки: ПУ, Вилад1 … Вилад11).
Клеи-расплавы
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
142
Секция 6 «МАШИНЫ И ТЕХНОЛОГИИ ЗАГОТОВИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА», Подсекция «Машины
и технологии обработки металлов давлением».
Их клейкость проявляется только в расплавленном состоянии, при охлаждении они
отвердевают, образуя твёрдую массу. Эту массу можно подвергать многократному
нагреву до температуры плавления.
Определяющими для выбора термопластичного клея-расплава является
температура эксплуатации клеевого соединения, а также размягчения и плавления клея.
Температура плавления клея определяет скорость схватывания клеевого слоя со
склеиваемыми поверхностями. Температура, при которой наносится клей, обычно выше
температуры плавления и зависит от требуемой вязкости расплава.
Нельзя допускать слишком большой вязкости клея, т.к. ухудшается смачивание
клеем склеиваемых поверхностей, снижаются клеевые свойства. Повышение температуры
выше допустимой вызывают деструкцию клея, т.о. снижается прочность клеевого
соединения.
При склеивании необходимо точно регулировать температуру нагрева, нагревать
клей небольшими порциями, вводить в клеевые соединения добавки, препятствующие
деструкции.
На прочность клеевого соединения влияет создаваемое давление и продолжение
перехода клея из жидкого в твёрдое агрегатное состояние. Давление (0,1-1 МПа)
необходимо поддерживать до тех пор, пока температура склеивания не будет ниже
температуры размягчения расплава.
Анаэробные клеи.
Приготовленные клеевые композиции могут отверждаться при комнатной
температуре без доступа воздуха. Затекают практически в любые мелкие зазоры и
неровности.
В отверждённом состоянии обеспечивают герметичность клеевых соединений при
воздействии агрессивных сред и перепадах температур от -193 до 1500С. Стойки к
вибрациям и ударам, не вызывают коррозии металла.
Клеевые соединения подвергаются следующим испытаниям: [3]:
В процессе вытяжки многослойного материала встречаются различные комбинации
приведённых выше схем напряжённых состояний в зависимости от сложности
получаемой детали.
Применение клея для многослойного материала
Перед тем, как охарактеризовать клей, используемый в качестве связующего элемента в
антифоне, выясним, почему же нужно деформировать именно склеенный лист, а не
наносить клей на полученные элементы изделия с последующим их соединением.
Выделим две основные причины:
Во-первых, второй способ получения многослойной конструкции предполагает наличие
рабочего инструмента для каждой части детали, увеличение загрузки оборудования,
больших производственных площадей, большего числа персонала. Потребуются
дополнительные операции нанесения адгезива, а также сборочная операция. Всё это
приведёт к значительному удорожанию производства и, как следствие, конечного изделия.
Во-вторых, на изделие сложной формы достаточно трудоёмко и непросто нанести
равномерный слой адгезива, выдержав при этом требуемые условия. Это приведёт к тому,
что качество изделия будет хуже. Кроме того, достаточно сложно и дорого
автоматизировать в промышленном масштабе нанесение адгезива на поверхность
металлического листа.
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
143
Секция 6 «МАШИНЫ И ТЕХНОЛОГИИ ЗАГОТОВИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА», Подсекция «Машины
и технологии обработки металлов давлением».
Рисунок 1 – Испытания клеевых соединений:
а) На сдвиг; б) На равномерный отрыв; в) На отдир; г) На внецентренное
растяжение
Поэтому использование готового склеенного листа для получения конечного продукта
экономически выгоднее по сравнению со способом раздельного получения элементов
детали.
В процессе вытяжки многослойного материала клеевой слой может подвергаться
растяжению, сжатию, а также работает на сдвиг. Для того чтобы правильно осуществить
вытяжку, нужно грамотно подобрать адгезив, на который различные виды напряжённого
состояния будут оказывать наименьшее воздействие.
Проанализируем свойства, которыми должен обладать клей для достижения
требуемого результата.
Во-первых, клей должен обладать определённой вязкостью и пластичностью, и его
молекулярная структура не должна нарушаться в процессе деформирования
многослойного материала.
Во-вторых, клей должен обладать высокой адгезией для прочного скрепления
металлических листов между собой. Также важно учесть, что максимальная адгезия
между материалами должна быть достигнута после завершения деформирования
многослойного материала.
В-третьих, раз материал используется в качестве антифона, то и клей должен
иметь такие физические свойства, которые позволят получить требуемую звуковую
изоляцию.
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
144
Секция 6 «МАШИНЫ И ТЕХНОЛОГИИ ЗАГОТОВИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА», Подсекция «Машины
и технологии обработки металлов давлением».
В-четвёртых, важно учесть способ нанесения клея на листовой материал: удобнее
всего работать с плёночными клеями, использование которых обеспечивает
равномерность наносимого клеевого слоя, в то же время появляются доступные способы
промышленного нанесения клея–расплава на листовой металл.
Помимо перечисленных требований важно знать, в каких условиях будет
эксплуатироваться полученное изделие: если это агрессивная среда, то в адгезиве должны
быть присадки, позволяющие использовать определённый тип клея в подобных условиях.
Кроме агрессивности среды учитывается влажность, пределы изменения температуры и
т.д.
Как было сказано выше, наиболее удобными для склеивания двух металлических
листов являются плёночные клеи, попробуем подобрать наиболее оптимальный из них.
Выпускаются следующие клеи в виде плёнок для соединения металлов [3]:
1. Клеи на основе сополимера венилацетата и этилена;
2. Клеи на основе полиамида (найлона);
3. Клеи на основе полиоксиэфира;
4. Клеи на основе кремнийорганических смол;
5. Клеи на основе эпоксидных смол - найлона;
6. Клеи на основе полиэтиленимина;
7. Клеи фенольно-нитрильные;
8. Клеи фенольно-неопреновые;
9. Клеи фенольно-поливинил-формальные;
10. Клеи на основе минеральных восков.
Проанализируем перечисленные выше клеи по следующим критериям:
- физическое состоянии
- механизм отверждения
- стойкость под воздействием различных факторов (рассматриваются
теплостойкость, морозостойкость - как основные эксплуатационные факторы).
Помимо «плёночного» состояния практически все из перечисленных клеёв могут
выпускаться в твёрдом (гранулы) или жидком (расплав) виде.
Клеи 1, 3, 5, 6, 7, 8, 9 отверждаются под давлением, что необходимо при таком
процессе, как вытяжка листового металла. Единственным ограничением при выборе клея
по этому критерию является время отверждения под давлением. Чем меньше будет этот
интервал, тем больше подходит клей для использования;
Клеи 1, 2, 3, 10 отверждаются при плавлении при нагревании. Важной
характеристикой здесь является температура плавления, которая указывается в паспорте
клея;
Клеи 3, 4, 5, 6, 7, 8 отверждаются при комнатной температуре, время отверждения
указывается паспорте клея;
Клеи 4, 5, 7, 8, 9 также могут отверждаться в диапазоне температур от 65 до 1000С,
что может потребовать нагрева инструмента в процессе листовой штамповки;
Клеи 7, 8, 9 могут отверждаться в диапазоне температур от 120 до 1600С;
Клеи 7, 8 могут отверждаться при 2000С.
Способность клеёв работать при повышенных и пониженных температурах
отражена в таблице 1[3].
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
145
Секция 6 «МАШИНЫ И ТЕХНОЛОГИИ ЗАГОТОВИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА», Подсекция «Машины
и технологии обработки металлов давлением».
Таблица 1
И – исключительная, Х – хорошая, С – средняя, У – удовлетворительная, П –
плохая.
Проанализировав свойства приведённых выше клеёв, можно сделать вывод, что для
процесса вытяжки наиболее оптимально подходят плёночные клеи на основе эпоксидных
смол – найлона. Эта клеевая основа удовлетворяет всем перечисленным выше
требованиям.
Единственное значительное свойство – способность к шумопоглощению – требует
экспериментальной проверки при помощи специального оборудования.
Среди иностранных фирм, поставляющих клеи на основе эпоксидных смол
выделяют Adhesive Solutions, Ball&CO LTD, Border Chemical Company LTD, BTR
Industries, Evode LTD, Planax Binding Systems LTD, Waller Adhesives LTD и многие
другие.
Выводы
Исходя из того, что для штамповки необходима постоянная толщина клеевой
прослойки по всей поверхности склеивания, выбираем пленочные клеи, выпускаемые
отечественной промышленностью, которые
обладают повышенной стойкостью к
виброакустическим нагрузкам: ВК-25, ВК-25А, ВК-50. Как показали испытания,
проведенные в МГТУ «МАМИ», данные виды клеёв выдерживают достаточно большие
сдвиговые и сжимающие нагрузки.
Базовые испытания на изгиб, формовку и вытяжку показали, что упругая прослойка
имеет значительное влияние на процесс формоизменения. Наиболее существенное
отличие показали испытания на изгиб. В частности, при сравнении силовых параметров
деформирования обычного и многослойного материалов, сила изгиба у многослойного
материала уменьшается в 1,5 раза. Имеются существенные отличия и при упругой
деформации в процессе разгрузки образца после штамповки. Если рассматривать
деформационные особенности вытяжки и формовки то, как показали эксперименты,
применение многослойных материалов приводит к изменению предельных
коэффициентов формоизменения и увеличивает возможность гофрообразования.
Анализ существующих клеёв и возможность их применения для изготовления
многослойных материалов позволил подобрать клеевые основы и марки клеёв, наиболее
пригодные для применения в изготовлении многослойных материалов и выявить
особенности при работе с существующими адгезивами.
Литература:
1.
2.
3.
4.
5.
Ж.-Ж Вильнав Клеевые соединения / - Москва.: Техносфера, 2007
Л. Ковачич Склеивание металлов и пластмасс/ - Москва: Химия, 1985
Дж. Шилдз Клеящие материалы. Справочник/ - М.:Машиностроение,1980
ТУ 6-17-880-77 Пленка клеящая ВК-25 и ВК-25А
ТУ 1-92-186-91 Пленка клеящая ВК-50
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
146