3.1.Склеивание металлов и неметаллических
конструкционных материалов
Клеевые соединения металлов и неметаллов должны обладать необходимой прочностью, долговечностью в различных климатических условиях и термостойкостью в зависимости от условий эксплуатации. Рассмотрим клеи в соответствии с их термостойкостью.
В группу клеев с термостойкостью до 80°С входят эпоксидные клеи: ВК-24, К-153, ВК-32-ЭМ, полиуретановый клей ПЧ-2, фенолиполи-винилацетатный клей БФ-2, клей циакрин. Они склеивают металлы и такие неметаллы как стеклотекстолиты, различные пластмассы (пенопласты, древесные пластики) и др. При использовании указанных клеев необходимо учитывать:
1) Для создания клеевого шва, не содержащего поры, необходимо использовать эпоксидные клеи, в составе которых нет растворителей (ВК-24, ВК-32-ЭМ, К-153Л-4).
2) Полиуретановый клей ПУ-2, имея высокие технологические характеристики, токсичен и требует соблюдения специальных мер предосторожности.
3) Клеи ПУ-2, Л-4, К-153 могут отверждаться при комнатной температуре, однако максимальные прочностные характеристики достигается только через более продолжительное время, чем при горячем отверждении.
4) Клей циакрин отверждается мгновенно при комнатной температуре. Его используют для склеивания небольших поверхностей металлов с неметаллами. Клеи хранят в запаянных полиэтиленовых ампулах. Прочность клеевых соединений - от 9 до 13 МПа,
Группа клеев с термостойкостью до 150°С включает эпоксидные клеи горячего отверждения ВК-1, эпоксидП и Пр и эпоксидные клеи холодного отверждения ВК-9 и ЭПЦ-1. Они не содержат растворителей, обладают высокой текучестью, хорошо заполняют зазоры между склеиваемыми поверхностями и склеивают при относительно низком удельном давлении. Эти клеи хорошие диэлектрики, но ограниченно устойчивы к воздействию различных климатических условий. Клеи этой группы применяют при склеивании металлов, стекла, керамики, кварца, дерева, стеклотекстолитов и других неметаллов, и так же для изготовления клеерезьбовых и клеезаклепочных соединений.
Клеи с термостойкостью 200-350°С содержат в своем составе полимеры на основе модифицированных фенолоформальдегидных смол, гетерополи-ариленов и термостойких эпоксидных смол. Их чаще применяют для склеи-вания инструментов.
Фенолкаучуковые клеи ВК-13, ВКАЗМ, ВК-32-200, ГИПК-П4 отличаются высокой эластичностью и стойкостью к старению. Они относительно мало текучи и при склеивании требуют высокие давления 0,4-2 МПа. Температура склеивания в интервале 130-200°С.Клеи BK-3t ВК 13М рекомендуют для работы при температуре до 200°С, а клеи ВК-32-200, ВК-13 и ГИПК-114 - кратковременно выдерживают температуру до 300°С. Их можно применять для закрытых и сотовых конструкций.
Фенолополивинилацетатные клеи ВС-1 ОТ, ВС-350 и ВФР-2 имеют более высокую текучесть. Эти клеи можно использовать при низких давлениях (0,06-0,2 МПа). Температура склеивания 180-200°С. Клеевые соединения работают при температурах до 200°С и кратковременно - до 300°С (ВС-10Т) и 350°C (BС-350). Наиболее стойки к термо- и термоокислительной деструкции клеи на основе полиамидов, полибензоимидазолов CII6-K и ПБИ-IK. Температура отверждения указанных клеев 320-350°С.
Клеи с термостойкостью 700°С и выше включают клеевые композиции на основе модифицированных фенольных смол и кремнийорганических соединений ВК-8, BK-I5, ВК-18, BK-I8M и ВК-2.Эти клеи, как правило, малоэластичные и их не рекомендуют применять для соединений, подверга-ющихся воздействию неравномерного отрыва и ударных нагрузок. Температура отверждения этих клеев находится в пределах 150-200°С. Удельное давление при отверждении - 0,03 - 0,8 МПа.
Для изготовления приборов и систем управления разработаны клеи специального назначения:
Электропроводные клеи для скрепления радиоэлементов не содержат драгоценные металлы и обладают высокой электропроводностью. Прочность создаваемых данными клеями соединений зависит от степени наполнения композиции электропроводным наполнителем и может достигать при испытании на сдвиг 10 МПа. Диапазон рабочих температур от-60 до + 125°С.
Теплопроводные клеи для приборной техники совмещают наряду с высокими электроизоляционными свойствами теплопроводность до 2,5 Вт/м К.
Вакуум-плотные клеи обеспечивают герметичность клеевых соединений в вакууме и работают при температурах от -60 до + 140°С.
Оптически прозрачные клеи имеют коэффициент преломления 1,4 - 1,46, необходимы для оптической техники, в том числе для волоконной оптической линии связи.
Приведем некоторые примеры использования клеевых соединений в станкостроении, где они позволяют упрощать и ускорять процесс сборки конструкций, герметизировать швы и предохранять металлы от коррозии, использовать более экономичные материалы. Так, на ряде тяжелых и крупных станков применяют накладные направляющие из текстолита, которые закрепляют клеем типа ФЛ-4 или эпоксидными смолами. При использовании направляющих из капрона для достаточной прочности соединения чугун- капрон предварительно создают подложку из клея ФЛ-4. Это позволяет повысить прочность шва в 1,7 раза. Клеевые направляющие легко и быстро поддаются ремонту и позволяют независимо от степени точности станка изготавливать корпусные детали из чугуна нормального качества. Рекомендована шестерня, в которой венец и ступица склеены между собой. Это позволяет изготавливать ступицу из менее дефицитной стали, например, стали 45, а также снижать шум коробки скоростей в рабочем состоянии.
Весьма эффективно использование клеевых композиций при ремонте металлорежущих станков. Так, например, у шестерни коробки подач фрезерного станка модели 6Г-82 был износ кулачков и их поломка. Ранее вместо сломанной изготавливалась новая деталь. При использовании клея для проведения ремонта изготавливают специальную втулку с калеными кулачками, а шестерню затачивают по диаметру втулки (зазор 0,05мм по диаметру). Затем втулку устанавливают на клее в отверстие шестерни. Это позволяет снизить трудоемкость изготовления шестерни на 5,2 часа, уменьшить стоимость основных материалов и повысить суммарную экономию.
Наноклей для тефлоновых изделий создан сотрудниками лаборатории углеродных наноматериалов Российского Нового Университета (РосНОУ). Скоро этот инертный материал (тефлон), прославившийся как антипригарное покрытие сковородок, может стать незаменимым компонентом аэрокосмической индустрии. Снижение веса техники — вечная проблема авиации. Поиск подходящих материалов привел авиаторов к тефлону, который обладает высоким сопротивлением к износу и низким коэффициентом трения. Он легче и прочнее углепластика, используемого в современной аэрокосмической индустрии. Но тефлон не подлежит сварке, а склеивать его, в отличие от углепластика, до сих пор не умели. При испытании степени склеивания на торцы двух тефлоновых цилиндрических прутков наносили клей, модифицированный углеродными нанотрубками, соединяли торцы, а после высыхания в течение 24 часов с помощью специальной разрывной машины попытались определить прочность на разрыв. Адгезия оказалась настолько высокой, что разрывная машина, даже работая на максимальной мощности, не смогла с ней справиться. Секрет чудо-клея в особой технологии создания углеродных нанотрубок. Ученые РосНОУ получили одни из самых чистых нанотрубок в мире, которые в отличие от отечественных и зарубежных аналогов дополнительной очистки не требуют, благодаря чему их себестоимость значительно снижается.
В России потребность в высококачественном наноклее только в строительной индустрии составляет более миллиона т в год. Среди потенциальных потребителей инновационной разработки РосНОУ — авиастроители, космическая отрасль, пищевая промышленность, автомобилестроители, легкая промышленность и другие. Крупные авиационные и кораблестроительные компании уже проявили интерес к наноразработкам университета. Сейчас клей проходит испытания в ОАО «Туполев», а углеродные нанотрубки РосНОУ в скором времени начнет применять башкирский завод клеевого производства «Эколайн» (управляющая компания — «Бизнес-Менеджер»).
В ближайших планах ученых лаборатории РосНОУ — создание обратимого наноклея, так называемого «противоядия», позволяющего расклеить практически «намертво» соединенные детали.
Дальнейший рост авиационной техники базируется на активном развитии полимерных композиционных материалов, модернизированных лёгких сплавов, алюминий и титан продолжают играть ключевую роль в гражданской и военной авиации.
Так, среднепрочный алюминий-литиевый сплав 1441, обладающий высокой технологической пластичностью, из которого изготавливают обшивоч-ные листы гидросамолётов ТАНТК. Освоено производство из этого сплава тонких листов (0,3—0,4 мм). На базе такого проката в институте ВИАМ разработали слоистый алюмостеклопластик СИАЛ. СИАЛ — это гибридные материалы, состоящие из алюминиевых листов и прослоек стеклопластика на основе клеевого препрега, армированного стекловолокном. У СИАЛов пониженная плотность, чрезвычайно высокое сопротивление развитию трещин, которые «вязнут» в стеклопластике, и повышенная пожаростойкость — они выдерживают температуру 1100°С в течение 15 мин, поскольку стеклянные волокна препятствуют распространению огня.
К этой разработке проявляет большой интерес компания Airbus. Созданная в ВИАМе композиция имеет плотность на 5% ниже, чем материал, примененный в аэробусе А380 [3].
Характеристики некоторых конструкционных клеев приведены в табл.3.1.
Таблица 3.1.Свойства конструкционных клеев
Вопросы для самостоятельной работы
По материалам данного пособия, других литературных и патентных данных, информации из Интернета найдите примеры использования в машиностроении современныых клеев, включая гибридные, вспенивающиеся, электропроводящие клеи, клеи по влажной поверхности, клеи с наномодификаторами