幾種機(jī)械表面處理方法對(duì)6013鋁合金接頭膠接性能的影響

胡偉 蔡如琳 譚利敏 馬新剛 肖成龍

摘要：采用砂紙打磨、濕噴砂、納米化等3種機(jī)械處理方法對(duì)6013鋁合金表面進(jìn)行處理，測(cè)試其粘接剪切強(qiáng)度，并與P2化學(xué)表面處理方法的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。利用SEM、AFM、接觸角測(cè)量?jī)x等技術(shù)對(duì)鋁合金表面處理前后的表面微觀結(jié)構(gòu)、微觀粗糙度、潤(rùn)濕性等特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，不同的表面處理方法對(duì)鋁合金接頭的膠接性能影響不同。濕噴砂和砂紙打磨方法處理后鋁合金接頭的膠接性能與P2化學(xué)法表處的效果接近。納米化方法不利于鋁合金膠接性能的提高。微觀粗糙度對(duì)鋁合金的粘接性能具有重要影響，粗糙度越大，鋁板膠接性能越好。潤(rùn)濕性不是影響膠接性能的關(guān)鍵因素。

關(guān)鍵字：膠接；機(jī)械表面處理；鋁合金；粗糙度；潤(rùn)濕性

中圖分類號(hào)：TG494 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2014）01-0045-04

在汽車制造中使用粘接技術(shù)可以簡(jiǎn)化零件結(jié)構(gòu)，顯著減輕汽車重量，吸收震動(dòng)，增加舒適度，大幅度提高汽車防撞擊性能。由于材料表面狀態(tài)對(duì)膠接效果具有重要影響，研究鋁合金表面處理對(duì)膠粘性能的影響，對(duì)于汽車的輕型化具有重要意義。6013鋁合金是美國(guó)鋁業(yè)公司研制的變形鋁合金之一，具有高強(qiáng)度、優(yōu)良的斷裂韌性、抗疲勞性能以及抗腐蝕性，同時(shí)具有可焊接、易成型等優(yōu)點(diǎn)，是一種綜合性能優(yōu)良的Al-Mg-Si系鋁合金，在航空、汽車等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[1]。與在汽車制造中使用的鋁合金化學(xué)表面處理方法相比，機(jī)械表面處理[2，3]利用機(jī)械方法使表面粗糙，得到活化表面，提高膠接面的機(jī)械錨固力，并且具有綠色無(wú)污染的特點(diǎn)。本文主要研究了砂紙打磨[4]、濕噴砂[5，6]、納米化3種機(jī)械表面處理方法對(duì)6013鋁合金與5089熱固膠粘接性能的影響，并與傳統(tǒng)的P2化學(xué)處理方法[7]的效果進(jìn)行了比較。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用1.6 mm厚的6013鋁合金板材，線切割成100 mm×25 mm×1.6 mm的板材試樣。

膠粘劑采用德國(guó)Henkel公司的鋁合金專用5089型單組分熱固膠。

1.2 表面處理

納米化處理使用金屬材料表面納米化試驗(yàn)機(jī)（SNC-2），頻率20 000 Hz，振頭與試樣距離27 mm，冷卻振頭空氣壓力2 MPa，振頭功率55～60 W，處理時(shí)間10 min。

濕噴砂處理使用濕噴砂機(jī)，砂粒為普通河砂，噴頭距離工件30～40 mm，處理時(shí)間15 s。

砂紙打磨使用耐水性SiC砂紙，橫向縱向交錯(cuò)打磨，處理時(shí)間1 min。

P2化學(xué)處理配方與工藝：FeSO4 15.0%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），H2SO4 37%，H2O 48%，水浴加熱，溫度 60～70 ℃，處理時(shí)間 12 min。

1.3 試驗(yàn)方法

拉伸剪切強(qiáng)度測(cè)量采用了lap-shear實(shí)驗(yàn)方法[8，9]，即拉伸剪切強(qiáng)度試驗(yàn)。將2塊100 mm×25 mm×1.6 mm鋁合金板沿長(zhǎng)度方向搭接，搭接長(zhǎng)度為（12.5±0.25）mm。粘接時(shí)，使用簡(jiǎn)易工裝保證搭接長(zhǎng)度12.5 mm及2板平行。

固化溫度為180 ℃，使用薄片式熱電偶埋入膠層監(jiān)控溫度，膠層達(dá)溫后保溫30 min。

采用Instron 1195 電子拉伸機(jī)進(jìn)行測(cè)試。拉伸時(shí)，在粘接試樣2側(cè)各墊1塊1.6 mm厚度鋁合金板，保證拉伸機(jī)2個(gè)夾頭之間軸線垂直。拉伸速度為2 mm/min。

掃描電鏡（SEM）采用日立公司S2700型儀器，實(shí)驗(yàn)電壓為20 kV，放大倍數(shù)為×900。

采用美國(guó)Vecco Metrology公司的Nanoscope-Ⅲa型原子力顯微鏡（AFM）檢測(cè)試樣的表面粗糙度。

潤(rùn)濕性測(cè)量采用德國(guó)克呂士公司DSA30型接觸角測(cè)量?jī)x，測(cè)量時(shí)使用高速攝影，以水滴接觸鋁板表面后10 s時(shí)的照片測(cè)量接觸角。

2 結(jié)果與討論

2.1 lap-shear拉伸試驗(yàn)結(jié)果

6013鋁合金經(jīng)不同方法表面處理后的剪切強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表1。從表1可以看出，納米化、濕噴砂和砂紙打磨雖同為機(jī)械處理方法，但對(duì)鋁合金接頭粘接性能的影響是不同的。與P2化學(xué)處理方法的效果相比，濕噴砂方法處理后鋁合金膠接性能略有提高；砂紙打磨方法的效果略低，而納米化方法效果明顯降低，說(shuō)明納米化處理不利于鋁合金膠粘性能的提高。總體而言，濕噴砂和砂紙打磨的效果與P2化學(xué)方法的效果相當(dāng)，但濕噴砂方法處理過(guò)程比P2化學(xué)處理過(guò)程簡(jiǎn)單，成本較低，也較為環(huán)保，而P2方法較適于批量處理。

2.2 不同方法處理后鋁板表面形貌

采用SEM對(duì)不同方法處理后鋁合金板材的表面微觀形貌進(jìn)行了表征，結(jié)果見圖1。

從圖1（a）可以看出，納米化后鋁板表面有少量微小顆粒，但整體比較平整。這是因?yàn)樵摲椒ㄊ怯弥睆? mm的鋼球高速撞擊鋁板，鋼球表面非常光滑，鋁板經(jīng)過(guò)鋼球高頻無(wú)規(guī)撞擊后，表面雖然宏觀起伏比較大，但微觀比較平整。表面的少量顆粒為鋁板被鋼球撞擊時(shí)產(chǎn)生的碎屑。濕噴砂處理后，鋁板表面呈現(xiàn)出明顯的被砂粒撞擊產(chǎn)生的高低起伏的形貌，見圖1（b）。從圖1（c）可以看出，280#砂紙打磨處理后鋁板表面產(chǎn)生了縱橫交錯(cuò)的溝壑，但深度較淺。經(jīng)P2化學(xué)方法處理后，鋁板表面明顯呈現(xiàn)出細(xì)小的腐蝕坑，見圖1（d）。砂紙打磨方法、濕噴砂方法和化學(xué)處理方法，都能不同程度地增加鋁板表面的微觀粗糙度，粗糙度增加有利于粘接時(shí)膠粘劑流入凸凹不平的部位，從而增強(qiáng)機(jī)械錨固作用。并且，粗糙度增加，表面積也會(huì)隨之增加，可以擴(kuò)大膠粘劑與鋁板的實(shí)際接觸面積，增強(qiáng)膠粘劑與鋁板之間的摩擦力。而納米化處理雖然增加了鋁板表面的宏觀粗糙度，但會(huì)造成微觀粗糙度的降低，從而造成拉伸剪切強(qiáng)度下降。從圖1中還可以定性看出，4種方法處理后鋁板表面粗糙度增加的順序?yàn)椋簼駠娚胺?> P2化學(xué)法 > 砂紙打磨法 > 納米化法，這與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果一致。

采用AFM進(jìn)一步觀察了4種不同方式處理后鋁板的微觀形貌和微觀粗糙度，結(jié)果見圖2。從圖2可以看出，濕噴砂處理和P2化學(xué)方法處理后鋁板表面起伏較大，砂紙打磨法次之，納米化處理后則較為平整。

采用AFM還對(duì)圖2中各方法處理后鋁板表面的微觀粗糙度進(jìn)行了定量測(cè)量，結(jié)果列于表2。從表2可以看出，濕噴砂處理后鋁板表面微觀粗糙度最高，達(dá)97.716 nm，大于P2化學(xué)處理的72.550 nm，280#砂紙打磨次之，納米化處理后的值最小，僅17.025 nm。這與SEM的結(jié)果吻合，也與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果一致，進(jìn)一步表明了微觀粗糙度對(duì)鋁板的膠接性能有重要影響。

2.3 不同方法表面處理后鋁板的潤(rùn)濕性

在膠接中，膠粘劑涂到被粘接表面后，先有一個(gè)潤(rùn)濕的過(guò)程，然后固化。液體在固體材料表面上的接觸角，是衡量材料表面潤(rùn)濕性能優(yōu)劣的重要參數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，液體在固體表面上鋪展的接觸角越小，固體表面被液體潤(rùn)濕性能就越好。表3分別給出了4種方法處理后鋁板的接觸角實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從表3可以看出，表面接觸角的大小順序?yàn)椋簼駠娚胺?> P2化學(xué) > 納米化法 > 砂紙打磨法。濕噴砂處理和P2化學(xué)處理后接觸角較大，潤(rùn)濕性差；而納米化處理和砂紙打磨處理接觸角較小，潤(rùn)濕性較好。這與拉伸剪切實(shí)驗(yàn)結(jié)果明顯不一致。有研究表明[9～11]，材料的潤(rùn)濕性和粘接性能存在相關(guān)性，潤(rùn)濕性好有利于2相之間的界面接觸，但Schonhornh[10]也指出潤(rùn)濕性并不是界面粘接的唯一條件，許多潤(rùn)濕性很好的材料其粘接性能并不好。在本文研究中，納米化處理雖然能提高鋁板表面的潤(rùn)濕性，但鋁板的膠接性能并未提高，反而是潤(rùn)濕性不太好的濕噴砂和P2化學(xué)處理后鋁板的膠粘性能較好，可能有如下原因：一是水和膠粘劑的極性有差異，水在鋁板表面的潤(rùn)濕性的優(yōu)劣，不能代表膠粘劑在鋁板表面鋪展能力的大小；二是接觸角的測(cè)量不太適合在微觀粗糙度較大的表面進(jìn)行。無(wú)論是哪種情況，均表明在本文的研究體系中，潤(rùn)濕性和膠接性能之間沒(méi)有對(duì)應(yīng)關(guān)系，即潤(rùn)濕性在該膠接體系中并不是主導(dǎo)因素。

3 結(jié)論

采用濕噴砂、砂紙打磨和納米化法等機(jī)械方法分別對(duì)6013鋁合金進(jìn)行表面處理后，采用lap-shear 拉伸實(shí)驗(yàn)對(duì)其膠粘性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，濕噴砂和砂紙打磨方法處理后鋁板的粘接性能與P2化學(xué)法表處的效果相當(dāng)，而納米化方法不利于鋁板粘接性能的提高。微觀粗糙度對(duì)鋁合金的粘接性能具有重要影響，粗糙度越大，鋁板粘接性能越好。在6013鋁合金與5089熱固膠的粘接體系中，潤(rùn)濕性不是影響粘接性能的主要因素。

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