СКЛЕИВАНИЕ МЕТАЛЛОВ

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТЕПЛОСТОЙКИЕ КЛЕИ

§ 19. Проблема теплостойкости клеев

Свойства «леев и клеевых соединений, как и всех остальных ма­териалов. в большой степени зависят от окружающей температуры. Па свойствах, связанных с твердостью и жесткостью, например, пределе прочности при растяжении, повышение температуры, как правило, отражается очень неблагоприятно. Свойства, связанные с податливостью, деформируемостью материала клее юго стоя,— показатели прочности клеевого соединения на от, ир, на изгиб или удар,— могут несколько улучшаться при повышении температуры. Обычно достигается максимум при некоторой промежуточной тем­пературе.

Такие факторы, как разница в коэффициентах термического расширения склеиваемых материалов и клея, приобретают в клеевом соединении особенно важное значение при экстремальных значениях температуры. Возникающие в результате этого внутренние напряже­ния могут быть сравнительно большими и достаточными для того, чтобы вызвать физическое разрушение клеевого шва; разрушение происходит на поверхности раздела системы клей—склеиваемый элемент.

При высоких температурах порядка 250° и выше многие мате­риалы, включая и пластики, будут разлагаться. Это разложение, естественно, сопровождается потерей прочности. Из всех имеющих­ся в распоряжении материалов на основе синтетических смол только термореактивные являются наиболее теплостойкими благодаря поперечносвязашюй молекулярной структуре. Поэтому их приме­няют при разработке специальных клеев, пригодных для использо­вания при повышенных температурах.

Эти новые клеи предназначаются главным образом для авиа­ционной и связанных с нею отраслей промышленности и использу­ются в самолетах как с поршневыми, так и реактивными двигате­лями, а также в управляемых летающих снарядах.

Вполне естественно, что в данной книге влияние температуры рассматривается применительно к авиации. В полете внешняя по­верхность самолета, его обшивка, благодаря движению нагревается и приобретает более высокую температуру, чем температура окру­

жающего воздуха. Самолет, летящий со скоростью 'Примерно 400 км/час, благодаря трению воздуха в полете развивал бы на поверхности температуру не выше 65й. Благодаря же наличию тер мических противообледенительных устройств часто наблюдаются температуры 75 + 20°. Величина ее зависит от конструкции и распо­ложения противообледенительггой установки.

Большинство конструкционных клеев, применяемых в современ­ном самолетостроении, будет сохранять достаточную прочность при: этих температурах, лишь незначительно ухудшая показатели проч­ности клеевых соединений. Однако самолет с реактивным двигате лем или высокоскоростной летающий снаряд, имеющий скорость, соответствующую числу Маха выше единицы подвергся бы более сильному нагреванию, так как температура его обшивки изменяется пропорционально квадрату скорости. Подсчитано, чго летающий снаряд, имеющий скорость, равную 2—-3 числам Маха, нагревается до 260—315°, и полагают, что в ближайшем будущем встретятся с температурами обшивки порядка 500°.

Джиддингсом (фирма Бристоль Эйрплэйн) в лекции, прочтенной им в Кембридже (Англия) на летних курсах по технологии клеев на основе синтетических смол, было сделано следующее заявление: «Самолет, который должен летать со сверхзвуковой скоростью — при числах Маха больше 1,5, не был бы подходящим объектом для применения клеевых соединений, сделанных на клее ридакс».

Использование тонких обшивок и конструкций с силовыми об­шивками выдвинуло 'Новые повышенные требования к методам крепления, которым клеи могли бы полностью удовлетворять. В вы­сокоскоростной авиации каждый килограмм веса, который возможно сэкономить, значительно повышает эффективность летательного аппарата, его радиус действия. В герметизированных отсеках за­клепки и выполненные точечной сваркой швы приводят к утечке воздуха.

К аэродинамике внешних поверхностей самолетов и особенно управляемых летающих снарядов предъявляются высокие требова­ния. В таких случаях для соединения обшивки с подкрепляющими элементами склеивание является наилучшим методом крепления.

Однако очень часто имеющиеся в продаже и в распоряжении промышленности клеи не пригодны для данной цели из-за недо­статочно высокой теплостойкости и падения механической прочности при повышенных температурах. Следовательно, нужно создать такие клеи, которые полностью удовлетворяли бы требованиям, предъявляемым к клеям, необходимым для производства современ­ных летательных аппаратов.

Некоторые из рассматриваемых ниже клеев пригодны для склеивания изделий, работающих при температурах до 260—315°. Область применения этих клеев должна ограничиваться конструк­циями, где низкая прочность на отдир, присущая клеевым соедине­ниям на этих клеях, не является решающей. Клеевые соединения не рекомендуются для деталей, длительно работающих при высоких температурах, вследствие термического распада клея и резкого паде­ния прочности соединения.

Некоторые правительственные учреждения б Соединенных Шта­тах Америки получили полномочия по составлению программ научно-исследовательских работ и программ разработки клеев в течение последних пяти лет. Эти программы имели целью: опре­делить свойства уже имеющихся клеев для металлов при повышен­ных температурах — 200° и выше — и разработать новые клеи, пригодные для склеивания металлов в конструкциях, работающих при 200° и выше. Требования к «проч­ности обычно составляли 70 кг./см - при 204° отри ис­пытании «а сдвиг стан­дартного образца внахле­стку (Технические требо­вания Военно-воздушных сил США Мил-А-8331, см. табл. 7).

Па фиг. 40 и в табл.

15—19 показано измене­ние прочности при сдвиге соединений на различных клеях для металлов в за­висимости от температу­ры. Эти клеи обычно не

пользуются в конструкциях, элементы которых находятся

в усло - пределы

лиях умеренных температур, чаще всего не выходящих диапазона от —50 до 60 или 70°.

В табл. 15 приводятся данные по температурной зависимости прочности фенольно винилового термореактивного клея FM-47. Этот клей появился в результате усовершенствования клеев FM-45 и «пликозайт». Он применяется фирмой Гленн Мартин в производ­стве самолетов-снарядов В-61А Матадор.

Таблица 15

Прочность на сдвиг при различных температурах клеевых соединений, выполненных клеем FM-47

[48. В сравнительных условиях были испытаны 14 клеев различных марок для склеивания металлов, чтобы выяснить поведение клеевых соединений, выполненных этими клеями, при охлаждении и нагреБс. Испытания велись - на стандартных образцах из алюминиевого сплава 24ST3 толщиной 1,6 мм с длиной нахлестки 12,7 мм.

Ключ к табл. 16—19, раскрывающий, какие клеи условно обозна чены той или иной буквой, дан в табл. 38 на стр. 173. В табл. 37 приведены режимы склеивания этими клеями, примененные при изготовлении опытных образцов в соответствии с рекомендациями поставщиков клея.

Таблица 16

Изменение предела прочности при сдвиге (в KfjCM5) клеевых соединений некоторых имеющихся в продаже конструкционных клеев в зависимости от температуры испытания (нагружение немедленно по достижении требуемой температуры)

Режимы теплового воздействия при испытании были' различны­ми. Одни образцы испытывались при различных температурах, преимущественно повышенных, непосредственно после достижения ими заданной температуры. Указанный вид испытания весьма важен для оценки пригодности клея к использованию его в беспилотных самолетах-снарядах.

Другие образцы выдерживались при разных температурах испы­тания (каждая группа образцов при своей температуре) в течение суток, после чего они снова испытывались при той же температуре пли при комнатной. Наконец, четвертая серия испытаний заключа­лась в выяснении влияния трех циклов замораживания и прогрева до 204° в течение 21 часа каждый цикл на прочность при разных

Та б іица 18

Изменение предела прочности при сдииге (в кг/см2) клеевых соеди­нений некоторых конструкцион­ных клеев в зависимости от тем­пературы испытания (образцы ис­пытывались при указанных ниже температурах после 1Н2-часоиой выдержки при таких же температурах)

температурах. Указанные виды испытаний весьма важны для оценки пригодности клеев в изде­лиях с длительным сроком экс­плуатации, в частности, в скорост­ных самолетах, пилотируемых лет­чиками.

Чтобы клей можно было при­менять в изделиях, работающих при повышенных температурах, необходимо, чтобы он выдержи­вал срезающее напряжение но меньшей мере в 70 кг/см2 при ра­бочих температурах. Это соответ­ствует обычно величине в 30— 40% прочности при комнатной температуре. Представленные дан­ные показывают, что исследован­ные промышленные клеи не удов­летворяют этому требованию.

За последние годы интенсив ные исследовательские работы привели к получению клеев, кото­рые отвечают указанному требо-

Изменение предела прочности при сдвиге (в кг/см-) клеевых соеди­нений некоторых конструкцион­ных клеев п зависимости от тем­пературы испытания (образцы ис­пытывались при температуре 27° после выдержки в течение 192 час. при указанных в таблице температурах)

Изменение предела прочности при сдвиге (в К?'ісл'*) Кіеевьіх соеди­нений некоторых конструкцион­ных клеев в зависимости от тем­пературы испытания (образцы подвергались трем циклам старе­ния при температуре 204° в тече­ние 21 часа и выдержке при тем­пературе —56° в течение 3 час.)

ванию и пригодны для эксплуатации при повышенных температурах. Целевое назначение этих прочных и стойких при повышенных тем­пературах клеев — соединение разнообразных силовых и несиловых детален в реактивных самолетах и самолетах-снарядах. Несомненно, что эти клеи окажутся пригодными при изготовлении других типов изделий, выпускаемых автомобильной, железнодорожной, судострои­тельной и другими отраслями промышленности.