在减震橡胶制品中, 橡胶与金属的粘合是十分重要的环节。为了获得良好的粘合效果, 必须注意如下几个方面:( 1) 所用的胶粘剂必须对待粘物体( 橡胶与金属) 的表面有良好的浸润性;( 2) 待粘物体与胶粘剂的粘合强度以及胶粘剂本身的内聚强度要高;( 3) 胶粘剂固化时的残余变形要小; ( 4) 粘合的耐久性要好。为了实现橡胶与金属的牢固结合, 要求从金属表面的处理、胶粘剂的选择、粘合工艺、粘合结头设计等各方面进行考虑[ 1] 。

金属表面的处理方法大致可分为机械法和化学法两种。机械法最常用的是喷砂( 或抛丸) 与打磨。在减震橡胶制品生产中应用较多的方法是喷砂( 或抛丸) 处理。该方法具有以下特点:( 1) 金属表面的污垢和氧化膜清除干净;( 2) 工艺简单;( 3) 生产效率高;( 4) 橡胶与金属粘合性能好。此法一般包括脱脂、喷砂( 或抛丸) 、清洗三个步骤。最近开发的湿法喷砂把脱脂与喷砂融于一道工序, 可获得稳定的高质量。其原理是把水和研磨材料混和, 利用压缩空气带来的冲击力超高速喷于金属表面, 使表面加工和去脂清洗同时进行。化学法包括氧化、磷化等, 目前使用最多的是磷化处理。经磷化处理的金属表面具有良好的化学稳定性, 防锈效果明显, 形成于金属表面的微小晶体和适当的粗糙度对粘合十分有利^{[ 2～ 5]} 。

当然, 为了获得良好的粘合效果, 应该严格控制抛丸和磷化处理的工艺条件。本文通过研究金属表面抛丸处理时钢丸粒径、抛丸时间和金属表

面磷化处理时磷化液浓度、温度及磷化时间对橡胶与金属粘合强度的影响, 确定了金属表面处理工艺中最佳钢丸粒径范围、最佳抛丸时间和最佳磷化液浓度、温度、时间。

1. 试验材料及仪器设备

1.1　材料

钢丸, 江苏百利达钢丸有限公司生产, 硬度 HRC46.4～ 50.3;金属粘结菌形试样, 材质为 A3 钢, 自备;胶粘剂, CH205( 底胶) 、CH220( 面胶) , 上海洛德化学有限公司生产;胶粘剂, M3270( 底胶) 、M 100( 面胶) , 德国 Chemetall 公司产品;磷化液、脱脂剂, 上海 Chemetall 公司产品;混炼胶,

1590 , 公司自备。

1.2　仪器及设备

50t 平板硫化机, 6 寸开炼机, Q326 履带式抛丸机, JYW-33 CSS 电子万能试验机, KYKY2800 型电子扫描电镜, 恒温水浴, 1000ml 烧杯、滴定管、移液管等玻璃仪器。

2. 试验方法

2.1　抛丸处理工艺试验方法

将菌形金属试样脱脂处理后, 放入 Q326 型抛丸机抛丸处理, 用不同粒径的钢丸在不同的抛丸时间下处理试样。抛丸处理的试样表面清洗后立即涂刷胶粘剂( 底胶 CH205、面胶 CH220) 。胶粘剂干燥后, 用菌形金属试样与 1590^#胶料在 50t 平板硫化机上制作橡胶与金属粘结试样, 硫化条件为 150℃×25min, 硫化压力 25MPa 。硫化试样经 23 ℃×24h 调节后, 按 GB/T11211-1989 检测橡胶与金属的粘合强度。

2.2　磷化处理工艺试验方法

将菌形金属试样脱脂处理后, 采用不同浓度的磷化液, 改变磷化时间和温度处理试样。磷化处理的试样涂刷胶粘剂 ( 底胶 M 3270、面胶 M 100) 。胶粘剂干燥后, 按 2.1 硫化、调节方法制备试样, 检测粘合强度。在相同的磷化条件下制备电镜观察试样, 用 KYKY2800 型电子扫描电镜观察磷化处理后的金属试样表面。

2.3　不同处理工艺方法的比较

将菌形金属试样脱脂处理后, 分别采用磷化、抛丸、抛丸后再磷化工艺方法处理试样, 再涂刷胶粘剂( 底胶 M 3270 、面胶 M100) 。胶粘剂干燥后, 按 2.1 硫化、调节方法制备试样, 检测粘合强度。

3　结果与讨论

3.1　抛丸时间对粘合强度的影响

图 1 为抛丸时间对橡胶与金属粘合强度的影响。结果表明, 随着抛丸时间的延长, 橡胶与金属的粘合强度逐渐增大, 抛丸时间为 10min 时粘结强度出现最大值, 然后随着抛丸时间延长粘结强度逐渐减小。显然, 抛丸时间不足将导致金属表面氧化层及污物清除不干净, 从而影响粘结强度。但是, 抛丸时间过长对粘结也不利。一般来说, 适当地提高金属表面粗糙度对粘结有利, 但粗糙度又不能超过一定的界限, 表面太粗糙反而会降低粘结强度。因为过于粗糙的表面不能被胶粘剂很好地浸润, 容易缺胶, 包裹空气形成缺陷, 且凹处残留的空隙减少了实际粘结接触面积, 因而对粘结不利。

3.2　钢丸粒径对粘合强度的影响

图 2 为钢丸粒径对橡胶与金属粘结性能的影响。由图 2 可知, 随着钢丸粒径的增大, 橡胶与金属的粘结强度呈下降的趋势。因为金属表面抛丸处理主要作用有二个方面:一是除去防碍粘接的表面污物及疏松层, 二是增加表面积。用本试验所选粒径的钢丸进行抛丸处理比较试验时,保证了金属表面的清洁度, 在其他条件相同的情况下, 影响粘合强度的主要因素为金属表面的表面积及粗糙度。显然, 抛丸处理时钢丸粒径增大, 则金属表面的表面积将减小, 而表面的粗糙度增加, 这些因素将导致粘合强度的下降。但因 0.6mm 的钢丸粒径太小, 重量轻, 生产中容易被抽风机抽出, 损失大, 清理速度较慢, 故不宜选用。而 1.2mm 的钢丸粒径大, 虽然清理速度快, 但钢丸容易破碎, 消耗量大, 用于生产显然不经济;而且抛丸后金属表面粗糙, 影响产品外观质量, 所以也不宜选用。综上所述, 认为选用粒径为 0.8 ～ 1.0mm 的钢丸对金属表面进行抛丸处理较好。

3.3　磷化液总酸点对粘合强度的影响

磷化液总酸点对粘合强度的影响。由图可知, 总酸点在 15～ 20 之间粘合强度较高。然后随着总酸点升高试样粘合强度下降。这说明磷化液总酸点并不是越高越好, 亦即并非磷化液浓度越高磷化效果越好。这主要是由于磷化液总酸点过高, 在试样表面成核、结晶速度过快, 晶体分布不均匀, 结晶不完善, 可能有缺陷;同时, 磷化膜的形成速度太快, 在生成膜的过程中把磷化过程中生成的沉淀物包覆在磷化膜中, 致使磷化膜结构疏松, 从而影响粘合强度。而磷化液浓度太低, 很难在金属表面成核并形成晶体, 达不到磷化效果。这一观点从电镜照片上得到进一步的证实。总酸点为 19, 31.2 时磷化后金属表面磷化膜电镜照片。比较两幅图片可明显看出单图磷化膜结构疏松, 是使橡胶与金属粘合强度下降的主要原因。

3.4　磷化时间对粘合强度的影响

磷化时间对粘合强度的影响。由实验可知, 随着磷化时间的延长, 粘合强度开始呈上升的趋势, 磷化时间为16min 时达到最大值, 再延长磷化时间, 则粘合强度降低。这可能是随着磷化时间延长, 磷化膜结构趋于完整, 有利于胶粘剂的物理吸附, 使粘合强度增大。但磷化时间过长对橡胶与金属的粘合性能反而不利。因为在磷化过程中, 金属表面主要产生锌-磷酸盐晶体, 但与工艺有关的其他离子如钙离子也会同时结合到这些晶体上, 若磷化时间过长, 则磷化膜太厚, 磷酸盐晶体上结合的其他离子的数量增多, 结晶不完善, 使磷化层本身的强度降低。同时, 磷化膜厚, 则试样与橡胶粘合时, 主要表现为橡胶与磷化层之间的粘合, 因此, 在进行橡胶与金属的粘合性能拉伸试验时, 易导致磷酸盐层的断裂,而使粘合强度降低。

3.5　磷化温度对粘合强度的影响

磷化温度对粘合强度的影响。由实验可知, 温度太高或太低时, 粘合强度较低, 磷化温度在50～ 60℃效果较好, 粘合强度较高。因为低温时磷化膜不完整, 而高温时磷化膜结构又太疏松, 从而使粘合强度下降。下面的电镜图片证明了这一点。图 8, 9, 10 分别为磷化温度 35℃, 60℃, 80℃时磷化膜电镜图片。图 a中有许多明显的凹陷, 使磷化膜表现为不连续状态, 磷化膜较薄;图b的磷化膜较完整;图c的磷化膜凹凸明显, 结构较疏松。正是磷化膜结构的差异, 导致粘合强度的差别。当然, 在其他条件相同时, 磷化温度越高, 则磷化速度越快, 磷化膜越厚, 当磷化膜厚度超过一定限度时, 也会使粘合强度降低。

3.6　金属表面不同的处理工艺方法对粘合强度的影响

表1 为金属表面不同的处理工艺对粘合强度的影响。结果表明, 抛丸与磷化处理相比, 抛丸处理的试样粘合强度更高。因为与磷化处理相比,抛丸处理增加了金属表面的粗糙度, 增大了粘合面积, 从而使粘合强度增大;同时, 抛丸处理时去氧化层较磷化更彻底, 有利于提高粘合强度。相比之下, 抛丸后再磷化处理的试样粘合强度最高。因为抛丸处理增加了金属表面的粗糙度, 而磷化处理后磷化膜的生成进一步增大了粘接的接触面积, 增强了胶粘剂的渗透、吸附能力, 大大提高了粘合强度。可见, 抛丸后再进行磷化处理是最有利于提高粘合强度的工艺方法。实际上, 前面所述湿法喷砂工艺正是利用这一方法保证了较高的粘合质量。

表1　金属表面不同的处理工艺方法对粘合强度的影响

4　结语

为了保证粘结质量和生产效率, 金属表面抛丸处理宜选用粒径 0.8～ 1.0mm 的钢丸, 最佳抛丸时间为 10min。磷化处理时, 应对磷化工艺条件进行严格控制。其中总酸点以 15～ 20 较好, 磷化时间以 16min 为宜, 磷化温度以 50 ～ 60 ℃为佳。公司在实际生产中, 按上述工艺条件严格执行, 保证了稳定的产品质量, 保持了较高的生产效率。当然, 影响橡胶与金属粘结性能的因素还有很多, 如脱脂处理工艺、胶粘剂涂刷工艺及干燥条件、硫化工艺等, 在生产中要加以注意。