Физика /2

к.т.н. Таганова В.А., д.т.н., проф. Родионов И.В., асс. Кошуро В.А.,

д.т.н., проф. Пичхидзе С.Я.

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., Россия

Влияние газотермического оксидирования металлокаркасов на адгезионную прочность сцепления резины с металлом

Введение

Известно [1], что для получения качественных резинотехнических изделий с металлическим каркасом (арматурой) необходима удовлетворительная адгезия резины к металлу. Обычная подготовка металла перед стадиями нанесения адгезивного слоя и вулканизации резиновых смесей предполагает фосфатирование. Этот метод включает 9 стадий:

1. Обезжиривание. Состав ванны: тринатрийфосфат, сода кальцинированная, натрий кремнекислый, окись алкилдиметиламина, конденсат.

2. Промывка в горячей воде.

3. Промывка в холодной воде.

4. Промывка. Состав ванны: нитрит натрия, конденсат.

5. Фосфатирование. Состав ванны: кислота азотная, кислота ортофосфорная, белила цинковые, конденсат.

6. Пассивирование. Состав ванны: хромовый ангидрид, фосфорная кислота, конденсат.

7. Промывка в холодной воде.

8. Ингибирование. Состав ванны: параформальдегид, моноэтаноламин.

9. Сушка.

Основными недостатками известных методов подготовки металлических изделий перед нанесением адгезивных (клеевых) слоёв и изготовлением резинотехнических изделий являются большие энергозатраты на нагрев, использование дополнительных устройств для генерации перегретого пара, низкая адгезионная прочность.

Цель настоящей работы заключалась в исследовании влияния предварительного газотермического оксидирования поверхности металлокаркасов из черных металлов на прочность сцепления изделий с резиной при вулканизации.

Предлагается при производстве резинометаллических изделий подвергать металлические поверхности газотермическому оксидированию в воздушной среде при температуре 220…240°C в течение 20…30 мин [2, 3]. Технологическая схема подготовки металлических изделий приведена на рис.1.

Рис. 1. Технологическая схема подготовки металлических каркасов

Методика экспериментальных исследований и обсуждение результатов

Металлические каркасы загружали в оборотные емкости (бочки) и транспортируют на участок подготовки арматуры. Бочки с каркасами, с помощью крана, загружают в машину МР 150, где происходит их обезжиривание в перхлорэтилене при температуре 63…73^оС, цикл составлял 30…40 минут. Обезжиренные каркасы извлекали из машины и пересыпали в прямоугольные металлические ящики, затем проводили процесс термооксидирования, а именно: травление и высокотемпературное оксидирование. Термооксидирование проходит в термошкафах Е240 фирмы «BINDER», при температуре 220…240^оС с циклом 25…30 мин, где заготовки покрываются оксидным слоем.

Для оценки усилия отрыва металлических образцов был проведен модельный эксперимент, в котором образцы из стали в виде дисков диаметром 25 мм с плоской поверхностью с одной стороны и выступающей частью с отверстием с другой стороны для присоединения к испытательному стенду, окисляли в среде воздуха при температуре 220…240^оС в течение 25…30 мин. Далее производилось нанесение грунта и адгезива.

К подготовленным таким образом образцам в специальной пресс-форме производилось крепление резины способом вулканизации при температуре 175°С и давлении в гидросистеме пресса вулканизационного 100 кг/см² в течение 7 минут. Специальная пресс-форма устроена таким образом, что два образца устанавливались плоскими поверхностями друг к другу на расстоянии 2 мм. В процессе вулканизации расстояние между образцами заполнялось под давлением резиновой смесью К70-3060 на основе изопренового каучука СКИ-3.

Оценка адгезионной прочности соединений контрольных образцов из резины К70-3060 и металла выполнена на универсальной испытательной машине ИР 5082-100. При этом определялось усилие, необходимое для разделения слоев резины и металла, скорость перемещения подвижного захвата 100 мм/мин. Результаты исследования приведены в табл.

Таблица

Результаты испытаний образцов на адгезионную прочность

№ п/п	Наименование показателя	Время термооксидирования образца, мин
		Без термо-оксидиро-вания	10	25	50
1	Усилие отрыва образцов с нанесением “Chemosil” (кгс)	215	375	395	376
2	Усилие отрыва образцов с нанесением Cilbond (кгс)	203	368	393	365
3	Площадь поверхности, см^2	4,91	4,91	4,91	4,91
4	Усилие отрыва, кгс	215	375	395	376
5	Характер разрушения	Частичное оголение металла	По резине	По резине	По резине

Анализ приведенных результатов свидетельствует, что адгезионная прочность сцепления резины с металлом при разрыве повышается с 43,79 кгс/см² (без термооксидирования) до 80,44 кгс/см² (с термооксидированием). Таким образом, окисная пленка, получаемая на изделиях из черных металлов по предлагаемому способу, обладает высокой прочностью сцепления к основному металлу и адгезивному покрытию.

а б с

Рис. 1 Электронное изображение поверхности арматуры, увеличение – х1200: а – без модификации, б – термооксидирование, с – фосфатирование.

Из рис. 1 видно, что поверхность термооксидированной и фосфатированной арматуры имеет большую шероховатость. Следовательно, возможно лучшее сцепление этих поверхностей с компонентами резиновой смеси. Большая величина поверхности контакта приводит к повышению адгезионной прочности между арматурой и резиновыми смесями.

Анализ поверхности арматуры показал, что при термооксидировании и фосфатировании поверхность арматуры активизируется одинаково, что доказывает эффективность метода термооксидирования. Таким образом, появляется возможность отказаться от метода фосфатирования. Так как метод фосфатирования требует наличия сложного аппаратурного оформления, значительных затрат электроэнергии и приводит к образованию значительных количеств промывных сточных вод, очистка которых до санитарных норм требует больших материальных затрат, существует повышенная опасность загрязнения окружающей среды и потери здоровья обслуживающего персонала.

Время термооксидирования в течение 20…30 мин является оптимальным для подготовки изделий перед нанесением покрытия, что подтверждено результатами испытаний, представленными в табл. При меньшем или большем времени обработки качество подготовки металлической поверхности к нанесению специального адгезивного (клеевого) слоя снижается, что видно по снижению прочности связи резины с металлом за заявляемыми границами, и наличию максимального усилия отрыва в середине заявляемого диапазона времени обработки. Приведенные в табл.1 результаты получены при обработке изделий при температуре 240°C, однако близкие результаты были получены для диапазона температур 220…240°C.

Выводы: 1) предложена технологическая схема подготовки металлических каркасов методом термооксидирования;

2) показано значительное увеличение прочности связи резины с металлом и усилия отрыва при использовании термооксидирования.

Литература

1. Металловедение и термическая обработка стали: Справ. изд. - 3-е изд., перераб. и доп. В 3-х т. Т. 1. Методы испытаний и исследования / Под ред. Бернштейна М.Л., Рахштадта А.Г. М.: Металлургия, 1983. - 352 с.

2. Заявка на изобретение №2013134683/02 (051900), C23C 8/18 Способ подготовки изделий перед нанесением адгезивного слоя / Копыльцов В.В., Игнатов А.И.

3. Копыльцов В.В, Таганова В.А., Артеменко А.А., Пичхидзе С.Я. К вопросу о термооксидировании арматуры для резинотехнических изделий. Тольятти: ТГТУ. Элпит-2015. – 4с.