Wp³yw stanu powierzchni blachy stalowej na wytrzyma³oœæ mechaniczn¹ po³¹czeñ typu polimer metal...

Transkrypt

1 552 Diagnostyka Materia³ów Polimerowych 2011 Roman WRÓBLEWSKI, Jacek W. KACZMAR, Politechnika Wroc³awska, Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji, Laboratorium Tworzyw Sztucznych r.m.wroblewski@pwr.wroc.pl Wp³yw stanu powierzchni blachy stalowej na wytrzyma³oœæ mechaniczn¹ po³¹czeñ typu polimer metal... wytwarzanych na drodze wtryskiwania Streszczenie: Wytwarzano po³¹czenia adhezyjne typu polimer-metal poprzez wtryskiwanie poliamidu 6 umacnianego 30% w³ókien szklanych pomiêdzy blachy stalowe oznaczone, jako DC04 przeznaczone do g³êbokiego t³oczenia. Zastosowano nastêpuj¹ce parametry procesu wtryskiwania: ciœnienie wtryskiwania 95MPa, temperatura p³ynnego polimeru PA6 255 C a temperatura formy wtryskowej 80 C. Zastosowano ró ne rodzaje obróbki powierzchni blachy stalowej; obróbkê strumieniowo-œciern¹ elektrokorundem F60, trawienie wodnym roztworem kwasu siarkowego, trawienie wodnym roztworem kwasu solnego, orz metody ³¹czone obróbka strumieniowo-œcierna a nastêpnie trawienie roztworem kwasu solnego b¹dÿ siarkowego. Dla tak przygotowanych powierzchni mierzono k¹ty zwil alnoœci i okreœlano energiê swobodn¹ w celu korelacji wartoœci energii swobodnej z wytrzyma³oœci¹ z³¹cz na œcinanie. Badania wytrzyma³oœciowe z³¹czy na œcinanie pozwoli³y ustaliæ, e najlepsz¹ wytrzyma³oœæ na œcinanie 2,3 MPa uzyskiwano przy zastosowaniu obróbki strumieniowo-œciernej korundem F60, trawienie kwasem solnym, nak³adaniu aktywatora oraz podk³adu Primer 204N (obróbka oznaczona jako HyAP). Nie zaobserwowano korelacji pomiêdzy wartoœci¹ energii swobodnej blach po zastosowanych obróbkach i wytrzyma³oœci¹ na œcinanie z³¹cz polimer-metal wytwarzanych poprzez wtryskiwanie. THE EFFECT OF THE STEEL SHEET SURFACE CONDITION ON THE MECHANICAL STRENGTH OF POLYMER-METAL JOINTS MANUFACTURED BY INJECTION MOLDING Abstract: The adhesion joints of polymer-metal type produced by injection molding of Polyamide 6 strengthened with 30% of glass fibers between DC04 steel sheets for deep drawing were manufactured. The following injection molding parameters were applied: injection molding pressure of 95 MPa, temperature of liquid Polyamid 6 of 255 C and the temperature of injection mold of 80 C. The different treatments of steel sheets were applied: the abrasive blasting with corundum F60, etching with the aqueous solution of sulfuric acid, the aqueous solution of hydrochloric acid and combined methods the abrasive blasting and then etching with the aqueous solution of sulfuric acid or hydrochloric acid. For such prepared surfaces the wetting angles were measured and on this base the free energy values were calculated in order to correlate the free energy values with shear strength of produced joints. On the base of the shear strength investigations there was ascertained that the best shear strength of 2.3 MPa was achieved applying the abrasive blasting with corundum F60, etching with hydrochloric acid, covering of the joint surface with the activating agent and with the ground coat Primer 204N (designation of samples HyAP). No correlation between free energy of sheets after applied treatments and the shear strength of produced joints polymer-metal by injection molding was ascertained. 1. Wstêp Wytwarzanie lekkich œrodków transportu naziemnego i powietrznego zwi¹zane jest z jednej strony z potrzeb¹ zmniejszenia zu ycia paliwa, a co za tym idzie zmniejszeniem zanieczyszczenia œrodowiska, a z drugiej z mo liwoœci¹ zwiêkszenia osi¹gów pojazdów takich jak na przyk³ad polepszenie parametrów dynamicznych czy polepszenie ³adownoœci. W zwi¹zku z tym obecnie prowadzone s¹ intensywne prace nad wytwarzaniem nowych lekkich materia³ów kompozytowych na osnowach polimerowych [1, 2, 3] i metalowych [4, 5] charakteryzuj¹cych siê dobrymi w³asnoœciami mechanicznymi oraz nad materia³ami hybrydowymi ³¹cz¹cymi zalety stopów metali jak wysoka wytrzyma³oœæ mechaniczna oraz zmêczeniowa i tworzyw polimerowych jak ³atwoœæ kszta³towania przy zu yciu stosunkowo ma³ej energii i dobra specyficzna wytrzyma³oœæ mechaniczna (rozumiana jako stosunek wytrzyma³oœci mechanicznej materia³u wyra ony w MN/m 2 do jego ciê aru w³aœciwego wyra onego w N/m 3 )[6]. Obecnie prowadzone s¹ prace nad uzyskiwaniem po- ³¹czeñ polimer-metal charakteryzuj¹cych siê wysok¹ wytrzyma³oœci¹ mechaniczn¹ [7, 8], wykorzystywanych w wytwarzaniu wytrzyma³ych elementów noœnych stosowanych w budowie œrodków transportu [9, 10]. 2. Metoda wytwarzania i badania z³¹czy typu polimer termoplastyczny stal Do wytwarzania po³¹czeñ adhezyjnych typu polimer-metal w oparciu o technologiê wtryskiwania zastosowano blachê stalow¹ g³êbokot³oczn¹ o gruboœci 0,5 mm oznaczon¹ symbolem DC04. Wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie blachy DC04 wynosi R m = MPa, umowna granica plastycznoœci R e0,2 = 220 MPa a wyd³u enie 36%. Próbki z blachy stalowej przygotowano do procesu ³¹czenia w oparciu o proces wtryskiwania i zastosowanie nastêpuj¹cych metod przygotowania powierzchni blach: obróbka strumieniowo-œcierna elektrokorundem F60, trawienie wodnym roztworem kwasu siarkowego,

2 Wp³yw stanu powierzchni blachy stalowej na wytrzyma³oœæ mechaniczn¹ po³¹czeñ typu polimer metal Tab. 1. Oznaczenia metod przygotowania powierzchni blachy stalowej wt wtc wtcp wtac wtca wtaca wta wtcap wtcpb wtapb Su SuC SuCA SuCAP SuAP Hy HyC HyCA HyA HyAP HyAPb HyCAP HyCAPb HyCPb Oznaczenie / Obróbka Obróbka strum.-œcierna HCl H2SO Odt³uszczacz Aceton + + Aktywator Primer 204N* Primer 206G+P* *Podk³ad trawienie wodnym roztworem kwasu solnego, metody ³¹czone obróbka strumieniowo-œcierna a nastêpnie trawienie roztworem kwasu solnego b¹dÿ siarkowego. Po zastosowanych obróbkach powierzchnie blach stalowych myto i suszono a nastêpnie oczyszczano przy pomocy œrodków odt³uszczaj¹cych, do których nale a³y (Cleaner oznaczenie C, lub Aceton oznaczenie Ac). Po odt³uszczaniu na powierzchniê nak³adano aktywator (Sika Aktivator oznaczenie A). Na powierzchniê z naniesionym aktywatorem nak³adano podk³ad (Sika Primer 204N oznaczenie P, lub Sika Primer 206G + P oznaczenie Pb). Oznaczenia metod przygotowania powierzchni blachy stalowej przedstawiono w Tabeli 1. Jako tworzywo polimerowe do wytworzenia po³¹czenia polimer-metal zastosowano poliamid 6 (PA6) z zawatoœci¹ 30% w³ókien szklanych produkcji Tarnowskich Zak³adów Azotowych o nazwie handlowej Tarnamid T-27, którego w³asnoœci mechaniczne pokazano w Tabeli 2. Do realizacji wtryskiwania tworzywa polimerowego pomiêdzy próbki z blachy stalowej zastosowano wtryskarkê Battenfeld BA400/125 CDC o œrednicy œlimaka 25 mm. Próbki wytworzone do badañ maj¹ postaæ blach z wtryœniêtym z³¹czem zak³adkowym o powierzchni kontaktu polimeru z blach¹ stalow¹ wynosz¹c¹ 400 mm 2. Do wytworzenia po³¹czenia polimeru z blach¹ stalow¹ zastosowano nastêpuj¹ce parametry procesu wtryskiwania: ciœnienie wtryskiwania 95 MPa, temperatura p³ynnego polimeru 255 C, temperatura formy wtryskowej 80 C. Próby wytrzyma³oœciowe z³¹cz na œcinanie prowadzone by³y przy u yciu maszyny wytrzyma³oœciowej Instron model 3369 a badane próbki odkszta³cano z prêdkoœci¹ 5 mm/min. 3. Badania swobodnej energii powierzchniowej blach stalowych po zastosowanych obróbkach powierzchni W celu wyznaczenia k¹tów zwil alnoœci próbek wykonanych z blachy DC04 poddanych opisanym obróbkom powierzchni zastosowano ciecze pomiarowe przedstawione w tabeli 3. Przeprowadzone pomiary k¹ta zwil- ania z zastosowaniem przedstawionych cieczy pozwoli- ³y oceniæ, w jaki sposób zastosowana modyfikacja powierzchni wp³ywa na jej aktywowanie. Zgodnie z dostêpnymi danymi literaturowymi [11] nie nale y wykonywaæ pomiarów k¹ta zwil ania dla powierzchni o chropowatoœci wiêkszej ni 0,5 µm i w zwi¹zku z tym pomiary k¹ta zwil ania nie zosta³y wykonane na próbkach poddanych obróbce strumieniowo-œciernej. Obliczenia swobodnej energii powierzchniowej (Surface Free Energy) badanych próbek przeprowadzono przy zastosowaniu równania zaproponowanego przez Owensa-Wendta-Rabela-Kablera (OWRK), [12]: ( 1+ cos i ) Li = 2( D P P + * ) D S * Li dla ka dego i= 1,2,... S Li

3 554 Diagnostyka Materia³ów Polimerowych 2011 Tab. 2. W³asnoœci mechaniczne Poliamidu 6 i Poliamidu 6 z 30% w³ókien szklanych Gêstoœæ [g/cm 3 ] Wytrzyma³oœæ przy zerwaniu [MPa] Modu³ Younga [MPa] Udarnoœæ wg Charpy z karbem [kj/m 2 ] Wyd³u enie przy zerwaniu [%] Rodzaj tworzywa NK* K** NK K NK K NK K Poliamid 6 1, Poliamid 6 z 30% w³ókien szkl. 1, ,2 5 * NK materia³ nie kondycjonowany, ** K materia³ kondycjonowany Tab. 3. Ciecze pomiarowe stosowane w analizie zwil alnoœci substratu [12] Nazwa cieczy pomiarowej Napiêcie powierzchniowe Wartoœæ czêœci dyspersyjnej Wartoœæ czêœci polarnej Woda 72,10 19,90 52,20 Gliceryna 62,70 21,20 41,50 Formamid 56,90 23,50 33,40 Dijodometan 50,00 47,40 2,60 1,4-dioksan 33,00 33,00 0,00 Glikol etylenowy 30,10 30,10 0,00 Swobodna energia powierzchniowa wt wtc wtac wtaca wtcap SuC SuCAP HyC HyA wtcp wtca wta Su SuCA Hy HyCA Metoda modyfikacji powierzchni Rys. 1. Porównanie swobodnej energii powierzchniowej blach w zale - noœci od sposobu przygotowania powierzchni. W celu wyznaczenia swobodnej energii powierzchniowej badanej blachy stalowej (substrat) nale y wybraæ przynajmniej dwie ciecze pomiarowe i zwykle dobiera siê ciecz polarn¹ i apolarn¹ i kolejno realizuje pomiary k¹ta zwil ania obliczaj¹c wartoœæ swobodnej energii powierzchniowej z uk³adu równañ. W celu uzyskania bardziej wiarygodnych pomiarów realizuje siê je z udzia³em wiêcej ni jednej pary cieczy pomiarowych. Kolejno dobierane ciecze pomiarowe powinny charakteryzowaæ siê innymi wartoœciami napiêcia powierzchniowego i byæ dobrane na zasadzie przeciwnoœci w odniesieniu do polarnoœci cieczy i ma to równie wp³yw na dok³adnoœæ wyznaczenia wartoœci swobodnej energii powierzchniowej analizowanego substratu. W wyniku przeprowadzonych badañ k¹ta zwil ania cieczami i przeprowadzonych obliczeñ uzyskano wyniki w postaci wartoœci swobodnych energii powierzchniowych blachy DC04 po ró nych rodzajach modyfikacji powierzchni (Rys.1). Bazowa wartoœæ swobodnej energii powierzchniowej jest obliczana dla próbki z oznaczeniem wt, czyli blach w stanie dostawy, tylko po myciu roztworem detergentu z wod¹ i dok³adnym p³ukaniu. Dla blach o oznaczeniu wt wartoœæ swobodnej energii powierzchniowej wynosi 33 mn/m. Przeprowadzane badania wskazuj¹, i wartoœæ swobodnej energii powierzchniowej generalnie ulega polepszeniu, natomiast dla obróbek wtca, SuC, wta, wtcp ulega znacznemu polepszeniu i uzyskane wyniki s¹ o oko³o % lepsze, w porównaniu do wyników otrzymanych dla próbki wt. Wiêksza wartoœæ swobodnej energii powierzchniowej oznacza, e powierzchnia substratu staje siê powierzchni¹ polarn¹, ³atw¹ do zwil enia przez ciecze polarne. Mo na zauwa yæ, i œrodki aktywuj¹ce powierzchniê (oznaczenia A) spe³niaj¹ swoje zadanie i bez wprowadzania dodatkowych obróbek powierzchni znacz¹co poprawiaj¹ swobodna energiê powierzchniow¹ blachy. 4. Badania wytrzyma³oœci na œcinanie z³¹czy Po³¹czenia adhezyjne polimer termoplastyczny blacha stalowa wytworzono metod¹ wtryskiwania i na rys. 2 przedstawiono wyniki badañ wytrzyma³oœci na œcinanie po³¹czeñ adhezyjnych polimer metal w zale noœci od metody przygotowania powierzchni blachy stalowej. Naprê enie œcinaj¹ce [MPa] 2,5 2 1,5 1 0,5 0 wtcap wtapb SuAP HyAP HyCAP HyCPb wtcp wtcpb wtap SuCAP HyAPb HyCAPb Metoda modyfikacji powierzchni Rys. 2. Wytrzyma³oœæ na œcinanie po³¹czenia adhezyjnego wytworzonego przez wtryskiwanie polimeru pomiêdzy blachy stalowe w zale - noœci od rodzaju obróbki powierzchni. Stosuj¹c odpowiedni¹ obróbkê powierzchni mo na poprawiæ wytrzyma³oœæ po³¹czenia, natomiast w przypadku blach dla których nie zastosowano przygotowania powierzchni i nie nak³adano aktywatora i podk³adu po wtryskiwaniu polimeru pomiêdzy blachy stalowe nie uzyskano trwa³ego po³¹czenia, które umo liwi³o by prze-

4 Wp³yw stanu powierzchni blachy stalowej na wytrzyma³oœæ mechaniczn¹ po³¹czeñ typu polimer metal Dyskusja WYNIKÓW BADAÑ Zastosowano badania k¹tów zwil alnoœci blach stalowych, które by³y danymi wyjœciowymi do wyliczenia energii swobodnej, jako metody wskazuj¹cej na ocenê przygotowania powierzchni blachy stalowej w aspekcie uzyskiwania odpowiedniej wytrzyma³oœci z³¹cza polimerowego na œcinanie. Niestety nie uzyskano korelacji pomiêdzy swobodn¹ energi¹ powierzchniow¹ przygotowanych blach a wytrzyma³oœci¹ z³¹czy na œcinanie i pomiêdzy blachami charakteryzuj¹cymi siê najwiêksz¹ swobodn¹ energi¹ powierzchniow¹ nie powstawa³y podczas wtryskiwania z³¹cza o najlepszej wytrzyma³oœci na œcinanie. Spowodowane jest to faktem i najwiêksza energia powierzchniowa osi¹gana jest dla powierzchni przygotowanych po na³o eniu aktywatora (oznaczenie A), który bezpoœrednio nie przyczynia siê do wytworzenia mocnego po³¹czenia. Po³¹czenie adhezyjne wtryskiwanego polimeru jest osi¹gane dopiero po zastosowaniu podk³adu, który charakteryzuje siê tym, e po na³o eniu na powierzchniê blachy tworzy widoczn¹ warstwê, z któr¹ mo e reagowaæ wtryskiwany polimer. Zastosowany podk³ad musi charakteryzowaæ siê odpowiedni¹ odpornoœci¹ ciepln¹, gdy nawet krótkie czasy oddzia³ywania cieplnego wtryœniêtego polimeru przyczyniaj¹ siê do jego degradacji. a) b) c) Rys. 3. Po³¹czenia adhezyjne blachy stalowej z polimerem PA6-30% w³ókien szklanych po ró nych rodzajach przygotowania powierzchni, a) bez obróbki powierzchni po na³o eniu aktywatora i podk³adu P oznaczenie: wtap; b) po trawieniu roztworem kwasu siarkowego i odt³uszczaniu C, nak³adaniu aktywatora i podk³adu P oznaczenie wtcap; c) obróbka strumieniowo-œcierna elektrokorundem F60, trawienie roztworem kwasu siarkowego, odt³uszczanie C, nak³adanie aktywatora i podk³adu P oznaczenie sucap prowadzenie prób wytrzyma³oœci na œcinanie. Dla próbek, dla których nie zastosowano adnej obróbki powierzchni (metod¹ strumieniowo-œciern¹ lub poprzez obróbkê chemiczn¹ trawieniem wodnymi roztworami kwasów) po na³o eniu aktywatora i podk³adu uzyskano jednak trwa³e po³¹czenie wtryskiwanego polimeru do blachy stalowej. Z porównania otrzymanych wyników wynika, i zastosowanie podk³adu Primer 204N oznaczonego, jako P powoduje uzyskiwanie o ok. 40% lepszej wytrzyma³oœci na œcinanie ani eli ani eli zastosowanie podk³adu Primer 206G+P oznaczonego jako Pb. Lepsze wyniki wytrzyma³oœci na œcinanie po zastosowaniu podk³adu Primer 204N P wynikaj¹ z faktu, i podk³ad ten podczas procesu wtryskiwania ulega mniejszej degradacji ani eli podk³ad Primer 206G+P. Pomimo krótkiego czasu oddzia³ywania w czasie wtryskiwania p³ynnego polimeru na powierzchniê blachy z naniesionym podk³adem (ograniczonym w zasadzie do czasu wtrysku i czasu krótko po nim nastêpuj¹cym), ciep³o uplastycznionego polimeru w znacznym stopniu oddzia³uje na podk³ad znajduj¹cy siê na powierzchni blachy. W przypadku, gdy nie jest stosowana obróbka powierzchni przez trawienie wodnymi roztworami kwasów powierzchni blachy stalowej, najlepsz¹ wytrzyma³oœci¹ charakteryzuje siê po³¹czenie, dla którego powierzchnia blachy zosta³a przygotowana przez odt³uszczenie i nak³adanie kolejno warstwy aktywatora i podk³adu Primer 204N (oznaczenie wtcap). Generalnie zastosowanie obróbki powierzchni blachy przez trawienie wodnymi roztworami kwasów (siarkowym lub solnym) przyczynia siê do poprawy wytrzyma³oœci po- ³¹czenia, lecz lepsz¹ wytrzyma³oœci¹ charakteryzuj¹ siê po³¹czenia uzyskane po zastosowaniu trawienia kwasem solnym (oznaczenie Hy). W przypadku zastosowania obróbki przez trawienie kwasami w obu przypadkach najlepsze wyniki s¹ osi¹gane po zastosowaniu aktywatora i podk³adu (oznaczenie AP). Przy zastosowaniu odt³uszczacza (oznaczenie C) i podk³adu Pb i osi¹gane s¹ nieco gorsze wyniki wytrzyma³oœci na œcinanie. Z przeprowadzonych badañ mikroskopowych po- ³¹czenia metalu z polimerem pokazanych na rys.3 wynika, i zastosowanie obróbki strumieniowo-œciernej elektrokorundem F60, trawienie roztworem kwasu siarkowego, odt³uszczanie C, nak³adanie aktywatora i podk³adu P powoduje znaczne rozwiniêcie powierzchni a co za tym idzie uzyskiwanie dobrych wytrzyma³oœci mechanicznych takiego z³¹cza. Uzyskanie wyniki wytrzyma³oœci na œcinanie uzasadniaj¹ prowadzenie dalszych badañ nad du ymi elementami hybrydowymi, które bêd¹ przewidziane do zastosowañ w przemyœle budowy œrodków transportu.

5 556 Diagnostyka Materia³ów Polimerowych 2011 Literatura 1. Bieniaœ J., Pa³ka K., Ostapiuk M., Beer K., Surowska B.: Materia³y kompozytowe stosowane w przemyœle lotniczym, Tworzywa Sztuczne w Przemyœle, 2011, nr 3, s Henningsen M.: Schnelle Systeme für Leichte Autos, Kunststoffe, 2011, nr 9, s Stabik J., Dybowska A., Chomiak M.: Polymer composites filled with powders as polymer graded materials, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, 2010, vol.43, s Kaczmar J.W., Pietrzak K., W³osiñski W., The production and application of metal matrix composite materials, Journal of Materials Processing Technology, 2000, vol.106, s Kainer K. U. Editor: Metal Matrix Composites, Custom made Materials for Automotive and Aerospace Engineering, Wiley-VCH Verlag GmbH&KGaA, Weinheim, Kaczmar J. W., Wróblewski R., Nakonieczny L., Iwko J.: Wytwarzanie i w³aœciwoœci elementów hybrydowych metal-polimer, Polimery 2008, vol. 53, s Grujicic J., Sellapan V., Omar M. A., Seyr N., Obieglo A., Erdmann M., Holzleitner J.: An overview of the polimer-to metal direct adhesion hybryd technologies for load bearing automotive components, Journal of Materials Processing Technology, 2008, vol. 197 s Kaczmar J. W., Wróblewski R.: Wp³yw parametrów wtryskiwania na wytrzyma³oœæ mechaniczn¹ z³¹czy typu polimer metal, Przetwórstwo Tworzyw, 2010, nr 4, s Steiner G., Gerndorf R.: Hart-Weich-Verbunde mit Metallinsert: Kunststoff-Metall-Hybride der neuen Generation, Kunststoffe, 2004, nr 7, Endemann U., Glaser S., Völker M.: Kunststoff und Metall im festen Verbund, Kunststoffe, 2002, nr 11, s enkiewicz M., Adhezja i modyfikacja warstwy wierzchniej tworzyw wielkocz¹steczkowych, WNT, Warszawa, Dokumentacja urz¹dzenia do badania k¹ta zwil ania firmy Krüss, Krüss GmbH, Hamburg, 2009