OZONOWANIE STALI 316L NA POTRZEBY KLEJENIA

Transkrypt

1 Technologia i Automatyzacja Montażu 2/2014 OZONOWANIE STALI 316L NA POTRZEBY KLEJENIA Mariusz KŁONICA, Józef KUCZMASZEWSKI Streszczenie W pracy przedstawiono wybrane wyniki badań dotyczących oszacowania liczebności próby, chropowatości powierzchni, swobodnej energii powierzchniowej, skuteczności klejenia stali 316L oraz testowania hipotezy o równości wariancji i hipotezy o równości średnich. Stan energetyczny warstwy wierzchniej materiałów konstrukcyjnych stosowanych w przemyśle jest szczególnie ważny w technologiach, w których adhezja odgrywa znaczącą rolę [1-6]. Stal 316L znalazła szerokie zastosowanie w budowie maszyn, z tego względu ważne jest opracowanie technologii klejenia, w tym ekologicznych metod przygotowywania powierzchni do klejenia dla tego materiału. Technika klejenia, dzięki postępowi w dziedzinie chemii materiałów adhezyjnych, ciągle się rozwija, a jej znaczenie w wielu gałęziach przemysłu nieustannie wzrasta. Skuteczność klejenia zależy w dużym stopniu od doboru odpowiedniego kleju oraz zastosowania odpowiedniej technologii przygotowania powierzchni. Pracę zakończono wnioskami. Słowa kluczowe ozon, modyfikacja powierzchni, swobodna energia powierzchniowa 1. Wstęp Klejenie, jako sposób łączenia materiałów konstrukcyjnych, jest znane od bardzo dawna, jednak dopiero rozwój adhezyjnych tworzyw polimerowych rozpoczął nowy okres w aplikacji tych połączeń w procesach montażu. Trudno wyobrazić sobie obecnie nowoczesny przemysł bez połączeń klejowych, wystarczy przypomnieć przemysł lotniczy i kosmiczny, samochodowy, drzewny, papierniczy, elektronikę i telekomunikację, budownictwo, przemysł opakowań, a nawet nowoczesną medycynę i higienę, aby uzmysłowić sobie znaczenie klejów i innych materiałów adhezyjnych we współczesnej gospodarce. Przełamywane są także bariery mentalne związane ze stosowaniem klejenia jako łączenia konstrukcyjnego, w odpowiedzialnych maszynach i urządzeniach eksploatowanych w warunkach obciążeń termomechanicznych. Dysponujemy obecnie dużym kapitałem wiedzy na temat właściwości takich połączeń. Istotną miarą jakości połączeń klejowych jest powtarzalność wyników pomiarów wytrzymałości zarówno w badaniach doraźnych, jak i długotrwałych. To jest ważniejsze kryterium doboru kleju niż największa wytrzymałość połączeń. Stopień koncentracji wyników wokół wartości średniej zależy w dużym stopniu od technologii przygotowania powierzchni, a właściwie warstwy wierzchniej materiałów do operacji klejenia. Technologia ta znacznie się różni w zależności od rodzaju i gatunku klejonych materiałów. W niektórych sytuacjach, dla materiałów trudno sklejalnych, technologie te oparte są na obróbce chemicznej lub elektrochemicznej z użyciem materiałów trudnych do akceptacji z punktu widzenia ekologicznego. Skuteczna utylizacja tych materiałów jest z reguły kosztowna, a ich stosowanie obwarowane rygorystycznymi normami bezpieczeństwa. W pracy analizowano możliwość wykorzystania ozonowania jako ekologicznej metody kształtowania stanu energetycznego warstwy wierzchniej stali o podwyższonej odporności na korozję. Analizowano wartość swobodnej energii powierzchniowej jako ważnej miary skuteczności tej technologii. Wyniki opracowano statystycznie z zachowaniem właściwych standardów naukowych. 2. Metodyka badań Materiały użyte w badaniach Badania przeprowadzono z użyciem następujących materiałów: 1. Stal 316L, 2. Klej epoksydowy E53/Z-1, 3. Klej epoksydowy E57/Z-1, 4. Klej epoksydowy Hysol H 9466, 5. Klej epoksydowy Hysol H 9484, 6. Środki pomocnicze: narzędzia nasypowe o ziarnistości P320, środek odtłuszczający Loctite 7061, woda destylowana, dijodometan Analiza statystyczna w badaniach Pierwszym etapem przeprowadzenia eksperymentu są badania wstępne. Na podstawie analizy rozrzutu i przyjętego poziomu istotności określono niezbędną liczbę pomiarów w badaniach zasadniczych [7, 8]. Średnią arytmetyczną obliczono ze wzoru: gdzie: yi wartość czynnika wynikowego w i-tym pomiarze, n całkowita liczba pomiarów. Odchylenie standardowe obliczono z następującej zależności: (1) (2) 51

2 2/2014 Technologia i Automatyzacja Montażu Wariancję wyznaczono z zależności: Hipoteza alternatywna na postać: (9) Liczbę pomiarów oszacowano na podstawie wzoru: (3) lub (10) Jeżeli wariancje są równe, do weryfikacji wykorzystujemy test oparty na rozkładzie t-studenta. (4) gdzie: n 0 liczebność próby wstępnej, t α wartość zmiennej t-studenta, s 2 wariancja z próby wstępnej, d maksymalny błąd szacunku, równy maksymalnemu błędowi pomiarowemu. W celu wybrania najodpowiedniejszego kleju do przeprowadzenia badań niszczących połączenie zakładkowe przeprowadzono badania wstępne z wieloma klejami. Następnie posłużono się współczynnikiem zmienności Pearsona i wytypowano najlepszy klej, przyjmując jako kryterium najmniejszy rozrzut wyników w stosunku do wartości średniej. Współczynnik zmienności obliczono z zależności: Współczynnik ten informuje, ile procent średniej arytmetycznej stanowi odchylenie standardowe. W analizie danych uzyskanych z badań ważne jest wnioskowanie na podstawie testów statystycznych. Pierwszym etapem weryfikacji hipotez jest sprawdzenie hipotezy o równości wariancji. Hipoteza zerowa ma postać: Hipoteza alternatywna na postać: Do weryfikacji hipotezy wykorzystano statystykę opartą na rozkładzie Fischera-Snedecora: gdzie: wariancja o większej wartości, wariancja o mniejszej wartości. Kolejnym etapem jest weryfikacja hipotezy o równości średnich. Hipoteza zerowa ma postać: (5) (6) (7) (8) (11) Gdy test hipotezy o równości wariancji wykazał, że wariancje są różne, do weryfikacji stosujemy test oparty na rozkładzie Cochrana-Coxa. (12) Na podstawie przeprowadzonej analizy statystycznej można formułować jednoznaczne wnioski przy założonym poziomie istotności Stanowisko badawcze Pomiary chropowatości powierzchni prowadzono z wykorzystaniem profilografometru firmy Taylor Hobson Surtronic3+. Długość odcinka elementarnego dobrano na podstawie literatury [9]. Do pomiarów kąta zwilżania użyto goniometru PGX. Ciecze pomiarowe (woda destylowana oraz dijodometan) o stałej objętości 4 µl były nanoszone na badane powierzchnie w sposób automatyczny przez mechanizm goniometru. Na podstawie pomiarów kątów zwilżania wyznaczono wartości swobodnej energii powierzchniowej. Badania wytrzymałości na ścinanie jednozakładkowych połączeń klejowych zostały przeprowadzone na maszynie wytrzymałościowej Zwick/Roell Z 150, zgodnie z normą DIN EN 1465 [10]. Prędkość trawersy podczas próby niszczącej wynosiła 2 mm/min, a odległość uchwytów przy pozycji startowej wynosiła 85 mm. Utwardzanie klejów przebiegało w temperaturze otoczenia wynoszącej (20 23) C, przy wilgotności względnej (30 40)%. Czas utwardzania ustalono na poziomie 96 godzin. 3. Wyniki badań 3.1. Badania wstępne W tabeli 1 przedstawiono wyniki badań wstępnych z pomiarów wybranych parametrów chropowatości, kątów zwilżania oraz szacowania wartości swobodnej energii powierzchniowej stali 316L po obróbce mechanicznej. Jako obróbkę mechaniczną stosowano szlifowanie płótnem o ziarnistości P320 w czasie jednej minuty. 52

3 Technologia i Automatyzacja Montażu 2/2014 Na podstawie przeprowadzonej analizy statystycznej ustalono minimalną liczbę powtórzeń pomiarów wybranych parametrów chropowatości powierzchni, pomiarów kątów zwilżania oraz ustalono minimalną liczbę powtórzeń wyznaczania wartości SEP. Minimalna liczba powtórzeń pomiarów parametrów chropowatości powierzchni wynosi pięć, pomiarów kątów zwilżania wynosi osiem oraz minimalna liczba powtórzeń wyznaczenia SEP wynosi dziesięć. W tabeli 2 przedstawiono wartości naprężenia ścinającego jednozakładkowe połączenie klejowe wykonane ze stali 316L po obróbce mechanicznej narzędziem nasypowym o ziarnistości P320 z wykorzystaniem różnych klejów. Na podstawie przeprowadzonych badań oraz analizy stwierdzono, że największe naprężenia ścinające otrzymano dla kleju Hysol 9466, jednocześnie uzyskując najniższe rozrzuty rzędu 5%. Ze względu na uzyskane wyniki z badań wstępnych, w badaniach zasadniczych zdecydowano się na użycie kleju Hysol Tabela 1. Wynik badań wstępnych parametrów chropowatości powierzchni, kątów zwilżania oraz swobodnej energii powierzchniowej Table 1. Result of preliminary research on parameters of surface roughness, the wetting angles and surface free energy Lp. Chropowatość powierzchni Kąty zwilżania Swobodna energia Ra [µm] Rz [µm] Θ w [ ] Θ d [ ] powierzchniowa SEP [mj/m 2 ] 1. 0,11 1,24 61,1 28, ,08 1,12 68,4 63,2 3. 0,09 1,04 59,8 28,4 60,3 4. 0,08 1,08 61,9 30,5 62,1 5. 0,09 0,98 61,3 31,2 59,9 6. 0,12 1,08 61,1 30,2 61,2 7. 0,08 1,3 60,3 29,5 62,8 8. 0,09 1,06 59,3 29,5 63,9 9. 0,08 1,2 59,9 29,5 62, ,12 1,12 58,9,5 60,1 ȳ 0,09 1,12 60,49 29,48 61,68 s 0,0165 0,0977 1,2106 0,9864 1,3871 s 2 0, , , , ,92400 n 0,14 4,89 7,50 4,98 9,84 Tabela 2. Naprężenia ścinające połączenie klejowe stal 316L po obróbce mechanicznej Table 2. The shear strain in adhesive joint steel 316L after mechanical processing Lp. Naprężenia ścinające [MPa] Hysol 9466 Hysol 9484 Epidian 57 + Z-1 Epidian 53 + Z ,5 6,78 9,98 5, ,9 8,18 12,1 5, ,4 8,59 11,9 6, ,9 6,64 9,89 6, ,3 6, , ,3 6,72 12,1 4, ,5 8,22 13,9 4, ,3 8,56 12,1 4, ,3 7,39 14,6 7, ,5 7,87 12,1 6,91 ȳ 20,89 7,56 12,07 5,70 s 1,1532 0,8212 1,4494 1,0738 V(y) 5,52% 10,87% 12,01% 18,84% 53

4 2/2014 Technologia i Automatyzacja Montażu 3.2. Badania zasadnicze Na rys. 1 przedstawiono wyniki badań charakteru rozkładu parametru chropowatości powierzchni Ra oraz swobodnej energii powierzchniowej. Na rys. 2 przedstawiono wyniki testów normalności rozkładu z programu Statistica dotyczące stali 316L. Rys. 2. Test normalności rozkładu: Lillieforsa (Kołmogorow- -Smirnow) oraz test W Shapiro-Wilka Fig. 2. The normality tests of distribution: Lilliefors test and Shapiro-Wilk test Rys. 1. Rozkład normalny wyników parametru chropowatości Ra oraz SEP dla stali 316L Fig. 1. The normal distribution of the results of roughness parameter Ra and SFE for 316L steel W tabeli 3 i 4 oraz na rys. 3 przedstawiono wyniki badań wraz z analizą statystyczną pod względem weryfikacji hipotezy o równości wariancji oraz hipotezy o równości średnich dla stali 316L. Badania przeprowadzono dla następujących warunków: 1 po obróbce mechanicznej przed ozonowaniem, 2 po obróbce mechanicznej oraz ozonowaniu: 20 g /m 3 w czasie 10 minut, 3 po obróbce mechanicznej oraz ozonowaniu: 20 g /m 3 w czasie 30 minut, 4 po obróbce mechanicznej oraz ozonowaniu: 50 g /m 3 w czasie 30 minut, 5 po obróbce mechanicznej oraz ozonowaniu: 50 g /m 3 w czasie 45 minut. Tabela 3 zawiera analizę statystyczną wyników badań parametru chropowatości powierzchni Ra. Z przeprowadzonych analiz hipotez wynika równość wariancji oraz średnich we wszystkich przypadkach na przyjętym poziomie istotności α = 0,05. Po przeprowadzonej analizie wyników stwierdzono brak wpływu procesu ozonowania na wartość parametru Ra chropowatości powierzchni. Nie oznacza to jednak braku jakiegokolwiek wpływu ozonowania na cechy topograficzne powierzchni. Na rys. 3 przedstawiono wartości swobodnej energii powierzchniowej oraz jej składowej polarnej dla stali 316L po ozonowaniu. Tabela 3. Analiza statystyczna wyników badań parametru chropowatości powierzchni Ra Table 3. Statistical analysis of research results of the surface roughness parameter Ra Chropowatość powierzchni Ra [µm] Hipoteza o równości wariancji Lp. ȳ S S 2 Test statystyki F F(α; f1; f 2) Hipoteza o równości średnich statystyki t t(α; f) 1 0,1 0,015 0, ,08 0,021 0, ,9130 6,3883 = I 1, ,776 ȳ 1 3 0,09 0,023 0, ,3043 6,3883 = I 0, ,776 ȳ 1 4 0,12 0,009 0, ,8750 6,3883 = I -2, ,776 ȳ 1 5 0,11 0,01 0, ,3 6,3883 = I -1,1094 2,776 ȳ 1 54

5 Technologia i Automatyzacja Montażu 2/2014 Tabela 4. Analiza statystyczna wyników badań SEP Table 4. Statistical analysis of research results of SFE SEP [mj/m 2 ] Hipoteza o równości wariancji Lp. ȳ S S 2 Test statystyki F F(α; f 1; f 2) Hipoteza o równości średnich statystyki t t(α; f ) 1 61,68 1,3871 1, ,36 1,743 3, ,5790 3,1789 = I -8,996 2,262 ȳ ,06 1,4009 1, ,020 3,1789 = I -21,883 2,262 ȳ ,61 1,1892 1, ,3605 3,1789 = I -21,231 2,262 ȳ ,85 1,1984 1, ,3396 3,1789 = I -19,917 2,262 ȳ 1 Tabela 4 zawiera analizę statystyczną wyników badań swobodnej energii powierzchniowej stali 316L. Na podstawie przeprowadzonej analizy stwierdzono równość wariancji we wszystkich przypadkach, natomiast test hipotezy o równości średnich wykazał istotne różnice na przyjętym poziomie istotności α = 0,05. Po przeprowadzonej analizie statystycznej jednoznacznie można stwierdzić, że proces modyfikacji warstwy wierzchniej w atmosferze ozonu ma wpływ na wartość swobodnej energii powierzchniowej stali 316L. Stwierdzono wzrost wartości SEP stali 316L po ozonowaniu w stosunku do próbek przed ozonowaniem. 4. Wnioski Rys. 3. Swobodna energia powierzchniowa oraz jej składowa polarna Fig. 3. The surface free energy and its polar component Największy przyrost wartości swobodnej energii powierzchniowej zaobserwowano dla próbek odpowiadającym trzeciemu wariantowi i wynosił 23% w stosunku do próbek przed ozonowaniem. Największy przyrost składowej polarnej SEP wynosił 95% w stosunku do próbek przed ozonowaniem, natomiast najmniejszy przyrost był rzędu 50%. Na podstawie przeprowadzonych badań oraz analizy wyników można sformułować następujące wnioski: 1. Niezbędne jest przeprowadzenie badań wstępnych dla oszacowania koniecznej liczby powtórzeń pomiarów dla przyjętego poziomu istotności. 2. Analiza statystyczna wyników uzyskanych z badań wstępnych pozwoliła na skuteczny wybór kleju do prowadzenia dalszych badań. 3. Analiza statystyczna wykazała, że proces modyfikacji warstwy wierzchniej w atmosferze ozonu nie zmienia topografii powierzchni w rozumieniu makroskopowym. 4. Najskuteczniejszym klejem, w aspekcie maksymalnych naprężeń niszczących oraz charakteryzujący się najmniejszą wartością rozrzutu okazał się klej Hysol Proces modyfikacji warstwy wierzchniej stali 316L w atmosferze ozonu powoduje wzrost wartości swobodnej energii powierzchniowej w stosunku do próbek przed ozonowaniem. Badania realizowane w ramach Projektu Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym, Nr POIG /08 w Programie Operacyjnym Innowacyjna Gospodarka (POIG). Projekt 55

6 2/2014 Technologia i Automatyzacja Montażu współfinansowany przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego. LITERATURA 1. Kłonica M., Kuczmaszewski J.: Ozonowanie jako metoda aktywowania warstwy wierzchniej materiałów konstrukcyjnych w operacjach klejenia. Technologia i Automatyzacja Montażu, nr 2, 2011, s Kłonica M., Kuczmaszewski J.: Wpływ stężenia ozonu na stan energetyczny warstwy wierzchniej stopu tytanu Ti-6Al-4V. Inżynieria Materiałowa, nr 4, 2012, s Kuczmaszewski J.: Fundamentals of metal-metal adhesive joint design. Politechnika Lubelska. Oddział PAN w Lublinie, Kwiatkowski M. P., Kłonica M., Kuczmaszewski J., Satoh S.: Comparative Analysis of Energetic Properties of Ti6Al4V Titanium and EN-AW-2017A(PA6) Aluminum Alloy Surface Layers for an Adhesive Bonding Application, Ozone: Science & Engineering: The Journal of the International Ozone Association, 2013, 35, p Rudawska A., Bronisz K.: Wpływ wybranych parametrów obróbki mechanicznej na wytrzymałość połączeń klejowych. Technologia i Automatyzacja Montażu, nr 2, 2013, s Żenkiewicz M.: Adhezja i modyfikowanie warstw wierzchniej tworzyw wielkocząsteczkowych. WNT, Warszawa Sałaciński T.: SPC statystyczne sterowanie procesami produkcji. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Warszawa Korzyński M.: Metodyka eksperymentu. Planowanie, realizacja i statystyczne opracowanie wyników eksperymentów technologicznych. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne. Warszawa Humienny Z. (red.): Specyfikacje Geometrii Wyrobów (GPS) wykład dla uczelni technicznych. Oficyna Wydawnicza PW, DIN EN 1465:2009: Adhesives Determination of tensile lap-shear strength of bonded assemblies. Mgr inż. Mariusz Kłonica Katedra Podstaw Inżynierii Produkcji, Wydział Mechaniczny, Politechnika Lubelska, Lublin, ul. Nadbystrzycka 36, tel , m.klonica@pollub.pl. Prof. dr hab. inż. Józef Kuczmaszewski Katedra Podstaw Inżynierii Produkcji, Wydział Mechaniczny, Politechnika Lubelska, Lublin, ul. Nadbystrzycka 36, tel , j.kuczmaszewski@pollub.pl. OZONATION OF 316L STEEL FOR ADHESIVE BONDING Abstract The article presents the selected results of research regarding sample size estimation tests, the roughness of surface, surface free energy, and the effectiveness of adhesive bonding 316L steel as well as testing the hypothesis of variances equality and the hypothesis of equality of mean values. The energetistic state of the surface layer of constructional materials utilized for industry purposes is particularly important in the technological processes in which adhesive bonding is a key operation. The 316L steel is widely used in machine building; therefore, it is important to prepare the bonding technology with regard to ecological methods of preparing surface for bonding. The adhesive bonding techniques due to progress in chemistry of adhesive materials develops continuously. Its importance in many branches of the industry increases significantly. The effectiveness of bonding depends on the selection of suitable adhesive and use of the suitable technology of surface preparation. The paper finishes with a summary and conclusions. Keywords ozone, surface modification, surface free energy 56