Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние модифицирования поверхности на адгезионную прочность соединений металлов с композиционными материалами

Тулинов Андрей Борисович, доктор технических наук, профессор кафедры математических и естественнонаучных дисциплин,

Шубенков Александр Владимирович,

ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», Москва, Российская Федерация

В статье рассмотрены вопросы повышения адгезионной прочности соединений композит-металл. Для этих целей предложено модифицировать соединяемые поверхности фосфатными покрытиями, наносимыми на металлическую поверхность перед соединением с ремонтным композитом «Честер-Супер». Приведены результаты экспериментальных исследований, подтверждающих, что для увеличения адгезионной прочности соединений следует использовать комбинированный способ, состоящий из предварительной абразивной обработки и последующего фосфатирования, что увеличивает адгезионную прочность до 40%.

Ключевые слова: адгезионная прочность, композиционный материал, фосфатирование, шероховатость поверхности, межмолекулярное взаимодействие, адсорбция, модификация.

THE IMPACT OF SURFACE MODIFICATION ON THE DEGREE OF METAL-COMPOSITE ADHESION

Tulinov Andrei Borisovich, Doctor of Engineering, Professor at the Department of Mathematics and Information Technologies, Russian State University of Tourism and Service, Moscow, Russia, avshub@mail.ru,

Shubenkov Aleksandr Vladimirovich, Senior Lecturer at the Department of Information Systems and Technologies, Russian State University of Tourism and Service, Moscow, Russia, avshub@mail.ru

The article is devoted to the issues of improving metal-composite adhesion by modifying the connecting surfaces with phosphate coating applied to the metal surface prior to introducing the ChesterSuper composite. The authors provide the results of their empirical research to demonstrate that the mixed method improves adhesive strength by 40%. The mixed method proposed by the authors presupposes abrasive pre-treatment and subsequent phosphatizing.

Key words: adhesive strength, composite materials, phosphatizing, surface roughness, intermolecular interaction, absorption, modification.

Получение надежных и прочных неразборных соединений металлов с использованием композиционных материалов требует определенной подготовки соединяемых поверхностей, основными из которых являются механические способы обработки поверхности с целью придания ей определенной шероховатости [3].

Кроме механических способов модифицирования поверхностей и получения требуемой шероховатости, существует и ряд других способов. К ним относятся фосфатирование, плазменно-химическая обработка, электроэрозионный синтез. Наибольший интерес представляет фосфатирование как наиболее изученный способ модификации поверхности [4].

Фосфатирование - это процесс получения фосфатных покрытий на поверхности изделий из черных и цветных металлов. Фосфатные слои химически связаны с металлом и состоят из сросшихся между собой мельчайших кристаллов, которые могут образовывать развитую шероховатую поверхность и обладают рядом технически ценных свойств. Физико-химические, хемосорбционные и адгезионные свойства фосфатных слоев обусловливают высокую способность поверхностей адсорбировать и впитывать наносимые на них краски, масла, смазки и различные пропитывающие составы [2].

Составы и свойства фосфатных покрытий весьма разнообразны, что и определяет широкую область их применения [1]. Фосфатирование применяется как самостоятельное покрытие, например, антикоррозионное или электроизоляционное, так и в качестве подслоя для нанесения органических покрытий и пропитывающих составов для придания поверхности необходимых функциональных свойств. Так, защитные свойства лакокрасочных покрытий при нанесении их на фосфатный слой значительно повышаются. Методы фосфатирования основаны на комбинации способов очистки и фосфатирования. В зависимости от способов использования растворов фосфатов щелочных металлов различают методы погружения, разбрызгивания и пескоструйной обработки. В промышленной технологии удобнее использовать методы погружения или нанесения растворов кистью как более простые и универсальные. Для проведения экспериментальных исследований были использованы составы КФ-3 (концентрат фосфатирующий) и КФА-8 (концентрат фосфатирующий аморфный).

В качестве метода подготовки поверхности использованы абразивная подготовка, обеспечивающая высоту шероховатости Ra = 5 - 7,5 мкм, и обезжиривание ацетоном. Измерение параметров шероховатости показало, что аморфное фосфатирование не изменяет шероховатость поверхности, а получаемый слой фосфатного покрытия имеет толщину 0,5 мкм. Обработка стальной поверхности фосфатирующим составом может быть проведена как методом разбрызгивания, так и методом погружения. Поскольку контакт с кислородом в процессе фосфатирования приводит к образованию окислов, применение метода разбрызгивания не позволяет обеспечить необходимую чистоту стальной поверхности. Химическая обработка выполнялась на поверхности образцов по ГОСТ 14759-69 [5], помещенных в емкость с фосфатирующим раствором КФА-8 (рН - 3,8?4,0) при температуре 50?С в термостате. Процесс фосфатирования продолжался 5 минут. Образовавшаяся пленка имела фиолетово-золотистый цвет, что указывает на образование фосфатного слоя с плотностью 0,8 г/м2. После фосфатирования образцы были промыты водой и высушены в термостате при температуре 40?С в течение 15 минут. Через 30 минут после фосфатирования были изготовлены адгезионные соединения с использованием композита «Металл-Супер».

Фосфатирование с образованием цинк-фосфатной пленки выполнялось на поверхности образцов соединений типа «однократная нахлестка». Подготовка поверхности выполнена по аналогичной методике. После механической обработки поверхность образцов промывалась непрерывно в течение 2-х минут кистью в активном растворе АФ-4 при комнатной температуре. Непосредственно после активирования, без промывки водой, образцы помещались в фосфатирующий состав КФ-3 (рН = 2,4-2,5) на 5 минут при температуре 50?С в термостате. По окончании процесса фосфатирования следовали промывка водой и сушка при 40?С в термостате. Толщина полученного фосфатного покрытия серого цвета составляет до 0,5 мм.

Цвет аморфных фосфатных покрытий изменяется в пределах: коричневато-серый, желтовато-голубой, зеленовато-синий, синий, тёмно-синий, пурпурно-фиолетовый. Поскольку толщина плёнки колеблется в области длин волн видимого света (0,15?0,8мкм) [4], достаточно небольших изменений толщины для того, чтобы она приобрела другую окраску. Поэтому на стальных поверхностях, покрытых плёнками из фосфата и окиси железа, часто наблюдаются пурпурные переливы красок, охватывающие большинство цветов видимого спектра. В тонких плёнках (до 0,5 мкм) цвета, как правило, изменяются от зеленовато-фиолетового до сине-фиолетового. Начиная с 0,7 мкм, поглощение в плёнках уже столь велико, что они имеют практически серую окраску. Для большинства аморфных фосфатирующих систем [2] действует следующее соотношение между массой фосфатного покрытия и цветом (табл. 1) Плотность плёнок составляет 2,71 г/см3.

модифицирование поверхность металл композиционный

Таблица 1 - Оттенок фосфатного покрытия в зависимости от его толщины

Нанесённое аморфное фосфатное покрытие фиолетово-золотистого цвета способствует увеличению числа реализуемых адгезионных связей на границе контакта «Композит-металл» и приводит к увеличению адгезионной прочности соединения. При этом геометрические характеристики поверхности практически не изменяются.

Цинковые фосфатные покрытия формируют на поверхности металла более толстые плёнки, которые имеют меньшую прочность, но отличаются высокой пористостью.

Расчёты показывают, что межмолекулярное взаимодействие (0) адгезив-субстрат определяется видом и количеством образующихся связей. Используемое в расчётах адгезионной прочности к поверхности после механической обработки значение 0, равное 2,85 МПа, после аморфного фосфатирования увеличивается до 5,9-6 МПа. Эта величина определена экспериментальными исследованиями прочности адгезионного соединения «Металл-Супер» с полированной поверхностью (Ra = 0,1мкм), обработанной фосфатированием.

Таблица 2 - Адгезионная прочность «Металл-Супер» полированной стальной поверхности Ra = 0,1 мкм после фосфатирования

Испытания показали (табл. 2) увеличение прочности до 5,83 МПа (среднее значение). При этом среднеквадратичное отклонение составило 0,1488 МПа или 2,5% от измеряемой величины.

Нанесение цинкового фосфатного покрытия с толщиной до 0,5 мм не позволяет увеличить прочность адгезионных соединений, а, наоборот, приводит к её снижению (табл. 3).

Таблица 3 - Адгезионная прочность «Металл-Супер» к стальной поверхности после фосфатирования

С учётом адгезионной составляющей (0) становится возможным выполнить теоретические расчёты прочности соединений композита «Металл-Супер» к шероховатой поверхности, обработанной фосфатированием. Выполненные расчёты адгезионной прочности «Металл-Супер» к шероховатой поверхности, обработанной фосфатированием, подтверждается экспериментальными результатами (табл. 4).

Таблица 4 - Расчётные и экспериментальные значения адгезионной прочности «Металл-Супер» к стальной поверхности после абразивной обработки и аморфного фосфатирования

Проведенный комплекс экспериментальных работ по исследованию влияния специальных методов на адгезионную прочность соединений, выполненных с использованием композиционных материалов, позволил установить, что комбинированная подготовка поверхности, состоящая из механической обработки абразивным инструментом и фосфатирования, позволяет увеличить прочность адгезионного соединения композит-металл до 40%.

Литература

1. Белый, В.А., Егоренков, Н.И., Плескачевский Ю.М. Адгезия полимеров к металлам. - Минск: Наука и техника, 1971. - 288 с.

2. Голынко-Вольфсон, С.Л. Химические основы технологии применения фосфатных связок и покрытий. - Ленинград: Химия, 1968. - 191 с.

3. Сервис производственных систем с применением прогрессивных технологий: монография / А.Б. Гончаров, А.П. Голубев, А.Б. Тулинов, А.А.Корнеев. - М., ФГОУВПО «РГУТиС», 2010. - 117с.

4. Сцибровская, Н.Б. Оксидные и цинко-фосфатные покрытия металлов. - М. Оборонгиз, 1961. - 172 с.

5. ГОСТ 14759-69 Клеи. Метод определения прочности при сдвиге. - М.: ИПК Издательство стандартов, 1999. - 14 с.

References

1. Belyi, V.A., & Pleskachevskii, Iu.M. Adgeziia polimerov k metallam [Composite Materials Metal-Adhesion Characteristics]. Minsk: Nauka i tekhnika, 1971. - p.288.

2. Golynko-Vol'fson, S.L. Khimicheskie osnovy tekhnologii primeneniia fosfatnykh sviazok i pokrytii [The Chemical Rationale for Phosphoate Binders and Coatings]. - Leningrad: Khimiia [Chemistry] Publ., 1968. - p.191.

3. Goncharov, A.B., Golubev, A.P., Tulinov, A.B., & Korneev, A.A. Servis proizvodstvennykh sistem c primeneniem progressivnykh tekhnologii [Innovative technologies application in servicing manufacturing systems]. Moscow: FGBOU VPO RGUTiS Publ., 2010. - p.117.

4. Stsibrovskaia, N.B. Oksidnye i tsinko-fosfatnye pokrytiia metallov [Oxide and Zink-and-Phosphate Coatings as Applied to metals]. - Мoscow: Oborobizdat Publ., 1961. - p.172.

5. GOST 14759-69 Klei. Metod opredeleniia prochnosti pri sdvige [All-Union State Standards 14759-69. Glues. Клеи. Shearing test]. - Moscow, IPK Izdatel'stvo Standartov, 1999. - p.14.

Размещено на Allbest.ru