胡偉 蔡如琳 譚利敏 馬新剛 肖成龍
摘要:采用砂紙打磨、濕噴砂、納米化等3種機械處理方法對6013鋁合金表面進行處理,測試其粘接剪切強度,并與P2化學表面處理方法的結果進行對比。利用SEM、AFM、接觸角測量儀等技術對鋁合金表面處理前后的表面微觀結構、微觀粗糙度、潤濕性等特性進行了研究。結果表明,不同的表面處理方法對鋁合金接頭的膠接性能影響不同。濕噴砂和砂紙打磨方法處理后鋁合金接頭的膠接性能與P2化學法表處的效果接近。納米化方法不利于鋁合金膠接性能的提高。微觀粗糙度對鋁合金的粘接性能具有重要影響,粗糙度越大,鋁板膠接性能越好。潤濕性不是影響膠接性能的關鍵因素。
關鍵字:膠接;機械表面處理;鋁合金;粗糙度;潤濕性
中圖分類號:TG494 文獻標識碼:A 文章編號:1001-5922(2014)01-0045-04
在汽車制造中使用粘接技術可以簡化零件結構,顯著減輕汽車重量,吸收震動,增加舒適度,大幅度提高汽車防撞擊性能。由于材料表面狀態(tài)對膠接效果具有重要影響,研究鋁合金表面處理對膠粘性能的影響,對于汽車的輕型化具有重要意義。6013鋁合金是美國鋁業(yè)公司研制的變形鋁合金之一,具有高強度、優(yōu)良的斷裂韌性、抗疲勞性能以及抗腐蝕性,同時具有可焊接、易成型等優(yōu)點,是一種綜合性能優(yōu)良的Al-Mg-Si系鋁合金,在航空、汽車等領域有廣泛的應用[1]。與在汽車制造中使用的鋁合金化學表面處理方法相比,機械表面處理[2,3]利用機械方法使表面粗糙,得到活化表面,提高膠接面的機械錨固力,并且具有綠色無污染的特點。本文主要研究了砂紙打磨[4]、濕噴砂[5,6]、納米化3種機械表面處理方法對6013鋁合金與5089熱固膠粘接性能的影響,并與傳統(tǒng)的P2化學處理方法[7]的效果進行了比較。
1 實驗部分
1.1 試驗材料
試驗采用1.6 mm厚的6013鋁合金板材,線切割成100 mm×25 mm×1.6 mm的板材試樣。
膠粘劑采用德國Henkel公司的鋁合金專用5089型單組分熱固膠。
1.2 表面處理
納米化處理使用金屬材料表面納米化試驗機(SNC-2),頻率20 000 Hz,振頭與試樣距離27 mm,冷卻振頭空氣壓力2 MPa,振頭功率55~60 W,處理時間10 min。
濕噴砂處理使用濕噴砂機,砂粒為普通河砂,噴頭距離工件30~40 mm,處理時間15 s。
砂紙打磨使用耐水性SiC砂紙,橫向縱向交錯打磨,處理時間1 min。
P2化學處理配方與工藝:FeSO4 15.0%(質量分數(shù),下同),H2SO4 37%,H2O 48%,水浴加熱,溫度 60~70 ℃,處理時間 12 min。
1.3 試驗方法
拉伸剪切強度測量采用了lap-shear實驗方法[8,9],即拉伸剪切強度試驗。將2塊100 mm×25 mm×1.6 mm鋁合金板沿長度方向搭接,搭接長度為(12.5±0.25)mm。粘接時,使用簡易工裝保證搭接長度12.5 mm及2板平行。
固化溫度為180 ℃,使用薄片式熱電偶埋入膠層監(jiān)控溫度,膠層達溫后保溫30 min。
采用Instron 1195 電子拉伸機進行測試。拉伸時,在粘接試樣2側各墊1塊1.6 mm厚度鋁合金板,保證拉伸機2個夾頭之間軸線垂直。拉伸速度為2 mm/min。
掃描電鏡(SEM)采用日立公司S2700型儀器,實驗電壓為20 kV,放大倍數(shù)為×900。
采用美國Vecco Metrology公司的Nanoscope-Ⅲa型原子力顯微鏡(AFM)檢測試樣的表面粗糙度。
潤濕性測量采用德國克呂士公司DSA30型接觸角測量儀,測量時使用高速攝影,以水滴接觸鋁板表面后10 s時的照片測量接觸角。
2 結果與討論
2.1 lap-shear拉伸試驗結果
6013鋁合金經(jīng)不同方法表面處理后的剪切強度實驗結果列于表1。從表1可以看出,納米化、濕噴砂和砂紙打磨雖同為機械處理方法,但對鋁合金接頭粘接性能的影響是不同的。與P2化學處理方法的效果相比,濕噴砂方法處理后鋁合金膠接性能略有提高;砂紙打磨方法的效果略低,而納米化方法效果明顯降低,說明納米化處理不利于鋁合金膠粘性能的提高??傮w而言,濕噴砂和砂紙打磨的效果與P2化學方法的效果相當,但濕噴砂方法處理過程比P2化學處理過程簡單,成本較低,也較為環(huán)保,而P2方法較適于批量處理。
2.2 不同方法處理后鋁板表面形貌
采用SEM對不同方法處理后鋁合金板材的表面微觀形貌進行了表征,結果見圖1。
從圖1(a)可以看出,納米化后鋁板表面有少量微小顆粒,但整體比較平整。這是因為該方法是用直徑3 mm的鋼球高速撞擊鋁板,鋼球表面非常光滑,鋁板經(jīng)過鋼球高頻無規(guī)撞擊后,表面雖然宏觀起伏比較大,但微觀比較平整。表面的少量顆粒為鋁板被鋼球撞擊時產(chǎn)生的碎屑。濕噴砂處理后,鋁板表面呈現(xiàn)出明顯的被砂粒撞擊產(chǎn)生的高低起伏的形貌,見圖1(b)。從圖1(c)可以看出,280#砂紙打磨處理后鋁板表面產(chǎn)生了縱橫交錯的溝壑,但深度較淺。經(jīng)P2化學方法處理后,鋁板表面明顯呈現(xiàn)出細小的腐蝕坑,見圖1(d)。砂紙打磨方法、濕噴砂方法和化學處理方法,都能不同程度地增加鋁板表面的微觀粗糙度,粗糙度增加有利于粘接時膠粘劑流入凸凹不平的部位,從而增強機械錨固作用。并且,粗糙度增加,表面積也會隨之增加,可以擴大膠粘劑與鋁板的實際接觸面積,增強膠粘劑與鋁板之間的摩擦力。而納米化處理雖然增加了鋁板表面的宏觀粗糙度,但會造成微觀粗糙度的降低,從而造成拉伸剪切強度下降。從圖1中還可以定性看出,4種方法處理后鋁板表面粗糙度增加的順序為:濕噴砂法 > P2化學法 > 砂紙打磨法 > 納米化法,這與實驗的結果一致。
采用AFM進一步觀察了4種不同方式處理后鋁板的微觀形貌和微觀粗糙度,結果見圖2。從圖2可以看出,濕噴砂處理和P2化學方法處理后鋁板表面起伏較大,砂紙打磨法次之,納米化處理后則較為平整。
采用AFM還對圖2中各方法處理后鋁板表面的微觀粗糙度進行了定量測量,結果列于表2。從表2可以看出,濕噴砂處理后鋁板表面微觀粗糙度最高,達97.716 nm,大于P2化學處理的72.550 nm,280#砂紙打磨次之,納米化處理后的值最小,僅17.025 nm。這與SEM的結果吻合,也與實驗的結果一致,進一步表明了微觀粗糙度對鋁板的膠接性能有重要影響。
2.3 不同方法表面處理后鋁板的潤濕性
在膠接中,膠粘劑涂到被粘接表面后,先有一個潤濕的過程,然后固化。液體在固體材料表面上的接觸角,是衡量材料表面潤濕性能優(yōu)劣的重要參數(shù)。一般來說,液體在固體表面上鋪展的接觸角越小,固體表面被液體潤濕性能就越好。表3分別給出了4種方法處理后鋁板的接觸角實驗結果。從表3可以看出,表面接觸角的大小順序為:濕噴砂法 > P2化學 > 納米化法 > 砂紙打磨法。濕噴砂處理和P2化學處理后接觸角較大,潤濕性差;而納米化處理和砂紙打磨處理接觸角較小,潤濕性較好。這與拉伸剪切實驗結果明顯不一致。有研究表明[9~11],材料的潤濕性和粘接性能存在相關性,潤濕性好有利于2相之間的界面接觸,但Schonhornh[10]也指出潤濕性并不是界面粘接的唯一條件,許多潤濕性很好的材料其粘接性能并不好。在本文研究中,納米化處理雖然能提高鋁板表面的潤濕性,但鋁板的膠接性能并未提高,反而是潤濕性不太好的濕噴砂和P2化學處理后鋁板的膠粘性能較好,可能有如下原因:一是水和膠粘劑的極性有差異,水在鋁板表面的潤濕性的優(yōu)劣,不能代表膠粘劑在鋁板表面鋪展能力的大??;二是接觸角的測量不太適合在微觀粗糙度較大的表面進行。無論是哪種情況,均表明在本文的研究體系中,潤濕性和膠接性能之間沒有對應關系,即潤濕性在該膠接體系中并不是主導因素。
3 結論
采用濕噴砂、砂紙打磨和納米化法等機械方法分別對6013鋁合金進行表面處理后,采用lap-shear 拉伸實驗對其膠粘性能進行了研究。結果表明,濕噴砂和砂紙打磨方法處理后鋁板的粘接性能與P2化學法表處的效果相當,而納米化方法不利于鋁板粘接性能的提高。微觀粗糙度對鋁合金的粘接性能具有重要影響,粗糙度越大,鋁板粘接性能越好。在6013鋁合金與5089熱固膠的粘接體系中,潤濕性不是影響粘接性能的主要因素。
參考文獻
[1]張君堯.美國鋁業(yè)公司6013鋁合金簡介[J].輕合金加工技術,1995,23:24-26.
[2]Critchlow G W,Brewis D M.Review of surface pretreatments for aluminium alloys [J].International Journal of Adhesion & Adhesives,1995,15:256-257.
[3]Rider A N,Arnott D R.Boiling water and silane pre-treatment of aluminium alloys for durable adhesive bonding[J].International Journal of Adhesion and Adhesives, 2000,20:209-220.
[4]Critchlow G W,et al.Influence of surface macroroughness on the durability of epoxide-aluminium joints[J].International Journal of Adhesion & Adhesives,1995,15:173-176.
[5]Rider A.Bond durability of grit-blast and silane treated metallic adherends bonds with room temperature curing adhesives[J].Defence Science and Technology Organisation,2001,DSTO-TR-1187.
[6]Baker A A,Chester R J.Minimum surface treatments for adhesively bonded repairs [J].International Journal of Adhesion and Adhesives,1992,12(4):73-78.
[7]Sang Yoon Park,Won Jong Choi,Heung Soap Choi.Recent trends in surface treatment technologies for airframe adhesive bonding processsing:A Review(1995-2008)[J].The Journal of Adhesion,2010,86:197-198.
[8]GB/T 7124—2008,膠粘劑拉伸剪切強度測定方法[S].
[9]INTERNATIONAL STANDARD ISO 4587 Adhesives-determination of tensile lap-shear strength of rigid-to-rigid bonded assemblies[S].2003,Third edition: 3-4.
[10]Schonhorn H,Ryan F W.Suaface crosslinking of polyethylene and adhesive joint strength [J].J appl Polym SCI,1974,18(1):235-239.
[11]李智,游敏,等.膠接接頭界面理論及其表面處理技術研究進展[J].材料導報,2006,20(10):48-51.