СКЛЕИВАНИЕ МЕТАЛЛОВ

Клей FPL-7I0

Блэк и Бломквист в одном но номеров журнала «Модерн плэстикс» [39] дали краткое изложение технического отчета № 54Д01 Национального совещательного комитета по авиации в США (НАКА), посвященного исследованию теплостойкого клея марки FPL-710 для соединения металлов. Название клея слагается из первых букв американского наименования Мэдиссопокой лабора­тории лесных материалов («Форест продактс лэборатори»), разра­ботавшей этот клей. Приведенные данные представляют интерес в том отношении, что они характеризуют некоторые трудности и своеобразные явления, частично еще не выясненные полностью, с которыми сталкиваются при разработке клеевых композиций с по­вышенной теплостойкостью.

В итоге ранее выполненных работ - на основе фенольных и эпо - ксилиновых смол был получен клей FPL-710. Он имеет следующий состав в весовых частях:

бакелит ВУ9700 (раствор СО %-ной концентрации).............................. 100

смола Эпон 1007 (растворенная в метияэтилкетоне)............................ 20

гексаметилентетрамин..................................................................................... 4

Клей отверждается при температуре 160° в течение 30 мин.

Клеевые соединения металлов на «лес FPL-710 отличались удов­летворительным сопротивлением сдвигу при температуре 315° и стойкостью против старения при температуре 230°. Основным недостатком клея была известная хрупкость клеевых соединений, недостаточные усталостная прочность и, прочность при изгибе. Оптимальная толщина клеевого слоя (около 0,05 мм) была слиш­ком незначительна для успешного применения его в практике самолетостроения.

Приведенное исследование имело задачей найти пути улучшения характеристик «лея FPL 710 при высоких и низких температурах, снизить его хрупкость, повысить прочность клеевых соединений приї изгибе и неравномерном отрыве и сделать клей более технологич­ным. Изучалась возможность склеивания этим клеем не только алюминиевых сплавов, но также нержавеющей стали и титана.

Указанные ниже экспериментальные результаты относятся к об­разцам с односторонней нахлесткой длиной 12,7 мм и толщиной

1,6 мм. Испытания ка сдвиг велись со скоростью нагружения 270 кг/см2 в минуту, а на изгиб — со скоростью 90 кг в минуту на

образец. При испытании при повышенных температурах образцы прогревают в течение 3—5 мин. и нагрузку прикладывают тотчас по достижении требуемой температуры. Температура регулируется с точностью +2°.

Поверхность образцов из алюминиевого сплава 24ST3 подвер­гают обработке погружением на 5 10 мин. в раствор серной кис­

лоты (10 пес. частей) и бихромата натрия (1 пес. часть) б воде (30 вес. частей) при температуре 60—70е. После этого обработан­ные поверхности промывают холодной проточной водой, затем горя­чей водой или паром и просушивают на воздухе.

С целью улучшения технологичности клея был приготовлен вариант пленочного клея FPL-710. Клейкую ленту приготовляют путем погружения ленты толщиной 0,25 мм из стеклоткани в жид­кий клей FPL-710. Ленту просушивают на воздухе и затем при температуре 80°. Режимы пропитки и сушки до сих пор окончатель но не разработаны. Испытания показали, что образцы, склеенные клейкой лентой, которая была подвергнута старению п течение 12 месяцев при комнатной температуре, не снижают прочности по сравнению с образцами, склеенными свежеприготовленной лентой.

Прежние испытания клеевых соединений из 24ST3 на жидком клее FPL 710 показали [39], что предел прочности при сдвиге при температуре 315° колеблется в очень широких пределах — от 7 до 70 кг/см-. Данное наблюдение было вновь подтверждено (см. табл. 23).

Таблица 23

Влияние термической обработки на прочность соединений внахлестку образцов из плакированного алюминиевого сплава толщиной 1,6 мм, склеенных клеем FPL-710

В связи с этим были изучены факторы, влияющие на такое рез­кое изменение прочности, а именно: метод подготовки поверхности металла, расход клея на единицу поверхности, степень старения, давление при склейке, условия запрессовки. Кроме того, исследо­вались влияние состава клея, изменения соотношения фенольной и эпоксияиновой смол.

Установлено, что соединения, склеенные внахлестку клеем FPL-710 и подвергнутые старению в течение 192 час. при 230°, об­ладают прочностью на сдвиг выше 70 кг/см - при температуре 315°. Это указывает на преимущества последующей термической обра­

ботки клеевых соединений, первоначально отвержденных при обыч­ных услоииях. Прочность соединений, не подвергавшихся термиче­ской обработке, значительно ниже. В табл. 23 показано влияние термической обработки; на прочность клеевых соединений образцов из плакированного алюминиевого сплава.

Прочность при сдвиге соединений на жидком клее FPL-710 (без дополнительной тепловой обработки) при температуре испы­тания 315°, когда склесны тонкие материалы, например, 0,8 мм, ниже, чем при склеивании более толстых материалов, например,

1,6 мм. Соответствующие значения пределов прочности— 10,5 кг/см2 против 33 кг/см2. Интересно отметить, что при температуре 232° и ниже разница в прочности между этими соединениями сглажи­вается. Аналогичная картина наблюдается и для образцов из не­ржавеющей стали: образцы толщиной 0,4 мм дают прочность 30 кг/см2, а образцы толщнной 1,5 мм — 56 кг/см2 при испытании в условиях нагрева до 315°.

Если увеличение жесткости склеиваемых элементов при постоян­ной жесткости клея позволяет увеличить прочность клеевого соеди­нения при сдвиге, то резонно предположить, что при заданных склеиваемых элементах можно добиться повышения прочности со­единения подбором соответствующей жесткости при сдвиге клеевого слоя. Варьирование эффективной жесткостью клеевого слоя при сдвиге может быть осуществлено за счет введения дополнительной прокладки в клеевой слой — наполнителя, что обычно связано с утолщением клеевого шва и косвенным увеличением податливости клеевого слоя, которые предупреждают чрезмерную концентрацию напряжений. Высказанные предположения оправдались.

Последующие испытания соединений металлических образцов, склеенных «лейкой лентой, которая состоит из куска стеклоткани» пропитанной жидким клеем FPL-710, показали, что прочность со­единений при 315° действительно значительно повысилась.

Особенно хорошие результаты были получены при использова­нии в качестве подложки для нанеосния клея мата толщиной 0,25 мм из стеклоткани, пропитанной фурфуролом.

Применение клейкой ленты обеспечило получение более одно­родных результатов н повысило прочность клеевых соединений, испытанных при 315° без предварительной термической обработки, по сравнению с соединениями, полученными при использовании жидкого клея и испытанными в аналогичных условиях. Однако прочность соединений, полученных с применением жидкого клея и подвергнутых термической обработке, была выше, чем у соеди­нений, полученных с применением клейкой ленты.

Преимуществом клейкой лепты является легкость нанесения, что особенно важно для массового производства, а также возможность получения клеевых соединений толщиной 0,20—0.25 мм, тогда как жидкий «лей дает соединения толщиной 0,05 мм. Результаты испы­тании при различных температурах клеевых соединений, получен­ных с применением жидкого клея и «лейкой ленты, приведены в табл. 24.

Эти результаты показывают, что жидкий клей, нанесенный кистью или пульверизатором, дает соединения, обладающие высо­ким сопротивлением тепловому разрушению. Образцы, состаренные в течение 192 час. при 230° н испытанные при температурах от —56 до 315°, сохранили около 50% своей первоначальной прочности при комнатной температуре. При. всех температурах испытания проч­ность их превышала 84 кг/см'2 — значение прочности для клея НАА «Хай-Темп».

Влияние старения при нагреве на прочность образцов из алюми­ниевого сплава, склеенных жидким клеем FPL-710, иллюстрируют данные табл. 25. Исследование влияния состава клеевой композиции показало, что количество гексаметилентстрамина влияет на стой­кость клеевых соединений против старения в течение 192 час. при 290е (табл. 26). Наибольшей стойкостью обладают композиции, со­держащие 5% гексаметилентетрамина (4 вес. части гексаметилен - тетрамина на 100 вес. частей сухого остатка фенольной смолы и 20 вес. частей смолы Элон), однако оптимальное содержание его точно не установлено.

Причина довольно низких характеристик клея FPL-710 после старения при 290° по сравнению с высокими характеристиками, по­лученными во время испытания при 230°, была тщательно исследо­вана. Как известно, плакированный алюминиевый сплав 24ST3 со­держит в плакированном слое приблизительно 0,1% меди и 0,7% связанного кремния и железа. Эти металлы даже в незначительных количествах являются эффективными катализаторами окисления и разрушения органических материалов и могут вызвать термиче­ское разрушение клея FPL-710 во - время 200-часовой выдержки при

Влияние старения при повышенной температуре на прочность образцов из алюминиевого сплава, склеенных жидким клеем FPL-710

290°. Испытания соединений ла­туни, склеенных 'внахлестку кле-

ем FPL-710 и подвергнутых старе­нию при 290° в течение 200 час., показали, что клей полностью раз­рушился и обуглился. Это указы­вает па то, что находящаяся в ла­туни медь вызывает термическое разрушение клеевого соединения.

Для предупреждения разруше­ния применяют различные стаби­лизирующие добавки, которые вводят в состав клея. В качестве стабилизаторов были исследова­ны, в частности, комплексообразующие соединения. Влияние стаби­лизаторов на устойчивость клеевых соединений против термического разрушения приведено в табл. 27.

Стабилизатор вводился в количестве 1 % по отношению к весу тзердых веществ в композиции клея FPL-710. Наиболее эффектив­ными оказались 8-оксихинолин, ацетилацетон, ацетонилацетон, триацстонилацетонат алюминия и катехол. Необходимо дополни­тельно определить оптимальное соотношение гекс а м е тилентетр а мина и стабилизатора в композиции, что позволит повысить стойкость клеевых соединений против термического разрушения.

Исследовалась возможность применения жидкого клея FPL-710 с добавкой 5% гексаметилентетрамина для склеивания титана и не­ржавеющей стали, которые обладают большей жаростойкостью, чем плакированные алюминиевые сплавы. В основном было определено влияние различных методов подготовки оклеиваемых поверхностей на прочность соединений и сопротивление старению (табл. 25). Наиболее эффективным методом обработки титана перед склейкой является погружение в ванну, состоящую из 9 объемных частей концентрированной азотной кислоты, 1 части 50%-ной плавиковой кислоты и 30 частей воды. Металл погружают «а 20 мин при 50°, промывают и просушивают. Поверхность нержавеющей стали очи­щают раствором, состоящим из 50 вес. частей концентрированной соляной кислоты, 2 частей 30%-ной перекиси, водорода, 10 частей раствора формалина и 45 частей воды. Металл погружают на 16 мин. в указанный раствор, температуру которого поддерживают равной 60—65°.

Таблица 28

Сопоставление прочностных характеристик соединений на клее FPL-710 различных металлов дано в табл. 29.

На основании данных этой таблицы можно сделать ряд интерес­ных выводов.

Соединения, полученные при склеивании' титана клеем FPL-710, неустойчивы против старения при 290° и обуглились после 192-часо­вой выдержки. Эта потеря прочности могла быть вызвана обработ­кой поверхности титана перед склеиванием смесью азотной и пла­виковой кислот, но для объяснения этого явления требуется допол­нительное более подробное исследование.

Сопротивление старению клеевых соединений нержавеющей ста­ли очень высоко по сравнению с клеевыми соединениями алюминия. Кроме того, они обладают высокой прочностью при —56°.

Замена в составе клея FPL-710 смолы бакелит ВУ 9700 двумя другими фенолыгыми смолами Дурез 15956 и 16227 позволила улуч­шить растеканию «лея. Однако прочностные характеристики клея не улучшились, за исключением прочности при 315°.

Для устранения хрупкости клеевых соединений плакированного алюминиевого сплава 24ST3 в состав клея вводили синтетический каучук или другие эластомеры. Затруднения заключались в плохой совместимости компонентов клея и в ухудшении прочности при вы­сокой температуре. Хорошие результаты были получены при добав­лении! 50 частей каучука Буна N (Хайкар OR-15) к 200 частям смо­лы бакелит ВУ 9700 и 15 частям смолы Эпон 1001 в метилэтилке - тоне.

Пленочный клей FPL-710 успешно применяется для склеивания стеклотекстолитового сотового заполнителя со стальной обшивкой при изготовлении достаточно прочных и температуростойких трех­слойных материалов.