Gumi-fém kötés kialakításának feltételei gépipari hibrid alkatrészek gyártásánál

A gép- és járműiparban alkalmazott korszerű gépelemekkel szemben támasztott követelmények szerint azoknak magas műszaki színvonalon, meghibásodás nélkül hosszú élettartammal kell üzemelni. Ez csak akkor érhető el, ha minden beépítendő elemet az előírt műszaki igényességgel már a tervezéskor megkövetelt, állandó minőséggel állítanak elő. Annak érdekében, hogy az egymástól fizikai tulajdonságaiban nagyon eltérő acélt és gumit egy gépelemmé tudjuk egyesíteni, célszerűen kapcsolatrendszert kell kialakítanunk. A gumi-fém kötés kialakítása során először összehasonlítottuk a műszaki gyakorlatban alkalmazott fontosabb elasztomertípusok mechanikai tulajdonságait és reológiai jellemzőit. Ezt követően a fémfegyverzetek előkészítésének lehetőségeit és a különbségek hatását vizsgáltuk. A határfelületen végbemenő folyamatok megértésére képalkotó elemzéseket használtunk. A morfológiát pásztázó elektronmikroszkóppal, az egy- és kétdimenziós laterális elemtérképet karakterisztikus röntgen emissziós módszerrel határoztuk meg. A gyakorlati alkalmazhatóságot a sajtoló szerszámban fellépő nyomás és a kialakult kötés erőssége közötti összefüggés keresésével modelleztük.

A gumi-fém kötés jellemzése

A rezgéscsökkentő gumirugók és egyéb gumi-fém alkatrészek iparszerű gyártása során, vegyi úton előállított kötőanyaggal valósul meg a vulkanizált gumi fémfegyverzetekhez történő kötése. Az eljárás a fém alkatrészek zsírtalanításával kezdődik, amit mechanikus fémelőkészítés követ, ez a fém anyagától függően korunddal vagy acélsöréttel való szemcseszórást jelent. A ragasztóanyag felhordásán túl nagy befolyása van a kialakult kötőerőre a gumikeveréknek is. A keverék köthetősége nagyban függ annak keménységétől és az elasztomer típusától is. A vizsgálatokhoz natúr kaucsuk alapú, 55 Sh° keménységű, általános gumikeveréket használtunk.

Mérési eredmények

S 100 Monsanto reométerrel meghatároztuk azokat a reológiai jelleggörbéket, amelyek adott keveréket alkalmassá tesznek a gumi-fém kötés kialakítására.
A kiértékelés általános elve szerint a nyomatékgörbe minimumához rendelik a 0 térháló pontot, a maximumához a maximumot. Mivel a maximum pont nehezen definiálható, ezért elfogadott gyakorlat, hogy a nyomatékgörbe minimumától számított 90%-os emelkedéshez tartozó időt tekintik az anyag vulkanizálási idejének (itt van a szakítószilárdság maximuma is).

A fémfegyverzetek mechanikus előkészítésének hatását szemcseszórási próbákkal elemeztük.

A beépülő fém alkatrészeken különböző szóróanyaggal, eltérő szórási idővel más-más felületi érdességeket állítottunk elő, ebből átlagos felületi érdességet mértünk, majd a fémfegyverzeteket ragasztóanyaggal kezeltük és a próbatesteket vulkanizáltuk. Ezt követően szakítóvizsgálattal meghatároztuk a szakadási erőket.

A tapasztalatok szerint, a kötés erőssége függ az anyagnyomástól is, amit az általunk felépített mérőrendszerrel a vulkanizáló sajtoló szerszámban határoztunk meg.
150 °C hőmérsékleten, 12 perc vulkanizálási idő mellett különböző adagsúlyokkal dolgoztunk.

A Sajtolásnál 50 kN záróerőt alkalmaztunk, a vulkanizálási idő 12 perc volt. A gumikeverék 50% kormot tartalmaz, irodalmi utalások szerint az így elérhető tapadási szilárdság 5 N/mm2. A fémfegyverzet geometriáját figyelembe véve ez 2075 N-nak felel meg. Tapasztalataink szerint a nyomás a szerszámüregben 20% túltöltésig növelhető gazdaságosan, mert amennyiben túllépjük ezt az értéket, úgy a kialakult vastag sorja bizonytalanságot jelent a gyártásban. Egyrészt az osztósíkra merőleges méret szórása kiszámíthatatlan és változó lesz, másrészt pedig a fészekben a nyomás előre meghatározhatatlan módon változik, ami a gyártmányok szakítószilárdságának nem kívánt, jelentős szórásához vezet.

A gumi-fém kapcsolatrendszer több paraméter egyidejű megfelelőségén múlik, ezért vizsgálni kell a határréteg, vagyis a fém-ragasztóanyag, illetve a ragasztóanyag-gumi felületein lejátszódó folyamatokat is. Ennek analitikai tisztázására gumi-fém határrétegére merőlegesen egydimenziós elem-eloszlásokat vettünk fel A 80 μm-es tartományban felvett elem-eloszlások kiszélesedésének oka a felület lateriális és axiális irányú egyenetlensége és durvasága, ami pontosabb kimetszéssel javítható.

Következtetések

A Monsanto-görbék elemzése során megállapítottuk, hogy a határozott indukciós szakasszal és hosszú, stabil platóval rendelkező keverékek a legalkalmasabbak a fémkötés kialakításához.
A mechanikus fegyverzet előkészítési kísérletek tanúsága szerint az Ra átlagos felületi érdesség nem alkalmas a gumi-fém kötés erősségének jellemzésére. A szórási idő (ezáltal a változó felületi érdesség)  és a kötési szilárdság között ugyanis nem lehet egyértelmű összefüggéseket kimutatni. Acélsörét szóróanyag esetében a maximális szakítóerő már 60 másodperc után kialakul, míg ugyanez korund alkalmazása mellett csak 120 másodperc után figyelhető meg.

A szerszámüregben kialakuló nyomás időfüggése hasonlít a Monsanto- görbékhez, a nyomás maximuma a teljes térhálósodáskor lép fel. A kapott eredmények ismeretében a vulkanizáló szerszámok szilárdsági méretezése biztonságosan elvégezhető.

Az elemeloszlás eredményei arra utalnak, hogy a klór feldúsult a határréteg két oldalán, a vas és a szén mennyisége nem változott a határrétegben. A klór a kötőanyag kipárolgása miatt dúsult fel, melynek ismerete azért fontos, hogy meg tudjuk állapítani a megengedett maximális szerszámnyitási időt, ugyanis ha az túl hosszú, akkor a kipárolgás nem a határrétegbe, hanem a környezetbe történik, ami szintén gyengíti a kötést. Ezért a kén, a szilícium és a nátrium elem-eloszlást is indokolt meghatározni annak megállapítására, hogy másodlagos kénhidak kialakulnak-e a határrétegben, illetve a fémben, továbbá a gumiban lévő szennyező- és segédanyagok milyen mértékben dúsulnak fel a vizsgált zónában.

Renner Tamás; Dr. Pék Lajos