铝合金粘接强度的影响因素及表面处理方法

1.表面处理的作用

粘接接头的强度是由粘合剂与被粘材料之间的粘附力和粘合剂的内聚强度决定的。表面处理的作用，就是使被粘材料表面洁净、坚实，以保证粘合剂和被粘材料的充分润湿和良好的结合。实验和生产的大量事实都证明：被粘材料表面处理的好坏，对粘接质量有很大影响。如被粘材料表面有一个分子层的蜡也会使粘接强度下降一半。

用环氧树脂胶粘接铝合金时，不同的表面处理方法所得到的粘接强度也有很大差异（表9-4）。

表9-4 不同表面处理对铝合金粘接强度的影响

注：粘合剂配方为618＃环氧树脂100份，二乙烯三胺8份，邻苯二甲酸二丁酯15份。

各种被粘工件在加工、运输、贮存时，总会受到污染而不利于粘接。这些污染主要有以下几种：

1）被粘材料在加工、贮存、运输时，表面会不同程度地被油、汗等污染。这些油污大多是非极性的，表面张力小，不易被极性、表面张力大的粘合剂润湿，因而妨碍与被粘材料的良好接触。这样油污就成为粘合剂与被粘材料表面接触的隔离层。

2）固体表面由于存在表面能，会吸附空气、水汽等气体。这些被吸附的气体往往起着粘合剂与被粘材料表面接触的隔离作用。

3）钢、铁和铜件在贮存、加工过程中表面会生成疏松氧化层锈蚀。如钢铁件在锻造热处理时表面会发生氧化反应生成氧化铁、四氧化三铁等；在潮湿空气中则生成水合氧化铁等铁锈，由于水合氧化铁电位比铁高，且多孔、吸水，一旦铁锈生成，钢铁件就将加速腐蚀。一般金属的锈蚀层质地疏松，内聚强度低，若不仔细清除必定影响粘接强度。

4）非极性、弱极性高分子材料其表面张力小、化学活性低，也不易与极性粘合剂产生良好的粘附作用，需要进行表面活化处理。

5）极性高分子材料在注射加工时，表面往往有一层脱膜剂。这种脱膜剂是不能和粘合剂产生良好的粘附作用的。

被粘工件表面处理，就是改变上述五种不利于粘接的表面状态。但在实际操作时，要将潜藏在被粘件表面孔隙中的水分、空气、油污等完全去掉是很困难的，如金属表面的油污经过三至四次有机溶剂清洗有时还会残留一分子层。水分即使经150℃烘烤也不会完全除掉。由此可见，被粘材料的表面处理是一项非常困难而细致的工作，这就需要在进行表面处理时要做到仔细、认真不怕麻烦，使被处理的工件表面尽可能达到粘接要求。

2.金属材料的表面处理

金属材料的表面处理，一般包括除油、除锈（氧化层）、活化三个步骤。

（1）除油 金属材料制品在机械加工和贮存过程中表面常常粘附油污（如机加工中使用的润滑油，贮存中涂的防腐油以及人手上的含油脂分泌物也会转移到工件上）。这些油污主要分两大类：一类是皂化油，包括动物油和植物油；另一类是非皂化油，如矿物油、凡士林等。这些油虽然性质不同但对粘接都是极其有害的，粘接前必须彻底清洗净。金属除油通常有有机溶剂法、碱性溶液清洗法和电化学法三种。

1）有机溶剂除油：由于有机溶剂能溶解金属表面的各类油污，不腐蚀金属，操作方便，所以应用较为广泛。常用的溶剂有：汽油、酒精、丙酮、甲苯、四氯化碳以及三氯乙烯、氟氯烷等。一般采用棉纱蘸溶剂擦洗的方法，但效率低，对人体毒性大。而气相清洗法效果较好，所谓气相清洗就是在密闭的容器下部放有低沸点溶剂，稍加热就变为蒸汽，在容器上部有冷却装置，蒸汽遇冷凝结下落而将挂在容器中的工件清洗干净。如三氯乙烯气相除油，三氟三氯乙烷气相除油等。尤其是三氟三氯乙烷气相除油，具有溶解力强、沸点低、无毒等优点。用三氟三氯乙烷蒸汽处理工件可有效地将油污带下。采用这种方法既可以免除人与溶剂接触，也不用经常更换溶剂。

用有机溶剂除油，有时还很难将金属表面油污完全去掉，有时需反复多次，用丙酮等需擦洗三次以上。

2）碱液除油：碱性溶液除油与有机溶剂除油相比，具有无毒、不燃、较为经济等优点。碱液除油的原理是借皂化和乳化作用实现除油。所谓皂化作用，就是酯类的动、植物油也可以与碱发生化学反应生成易溶于水的肥皂和甘油。皂化作用用于除去动、植物油。乳化作用是烷类矿物油在碱液中机械破裂成为不连续的油滴，并在油滴表面包裹碱或活化剂，从而降低油、水界面张力，减小油对工件的亲和力，使油滴进入溶液。

钢铁件碱液除油的典型配方是：

氢氧化钠 30～50g/L

碳酸钠 20～30g/L

磷酸钠 50～70g/L

水玻璃 10～15g/L

除油温度为80～100℃，时间30min左右。

铜及铜合金碱液除油的典型配方是：

氢氧化钠 10～15g/L

碳酸钠 20～50g/L

磷酸钠 50～70g/L

水玻璃 5～10g/L

OP乳化剂 50～70g/L

除油温度为70～90℃，时间10～30min。

还可以用活化剂清洗金属表面油污。用活化剂除油，具有去污力强、使用简便、安全无污染等优点。

此外超声波除油是将被处理工件放入超声波清洗槽中，清洗槽放有溶剂或活化剂水溶液。然后开动高频发生器，通过换能装置，将电能转变为机械振动即超声波，当频率为20～5000Hz时，就有足够高的能量对溶液进行翻动，同时在工件表面产生很大的机械冲刷力，将油污等撕掉和冲击下来，这种方法适用于小型精密工件的清洗除油。

（2）除锈 金属材料的表面除锈有机械处理法和化学处理法两种。(www.xing528.com)

1）机械除锈法

①手工除锈：主要是用砂纸、砂布、锤铲之类工具清除金属表面锈蚀。这种方法简便易行，但劳动强度大、工效低，用于对粘接强度要求不太高的工件的表面处理。

②电动工具除锈：这种方法是借助于电动砂轮、电动刷、除锈枪等工具进行除锈。具有效率高，质量较好等优点。

③喷砂除锈：是通过压缩空气将砂石喷射到金属表面，通过强力摩擦与冲击作用清除金属表面锈蚀。用于喷砂处理的砂料主要有矿砂、河砂、海砂及石英砂、金刚砂等。大面积工件的表面处理常用这种方法。喷砂处理可分为干法喷砂和湿法喷砂两种，干法喷砂又可分为露天喷砂和密闭喷砂。

干法露天喷砂是以压力为4kg/cm²以上的压缩空气，经油水分离后，将砂从喷砂罐喷射在工件表面上。这种喷砂法简便易行，适于大面积表面处理，但工作时粉尘浓度大，造成空气污染，并且砂粒不易回收。

干法密闭喷砂是将喷砂枪和工件都放在密闭的工作室里进行喷砂处理。这种方法的优点是没有空气污染现象，砂粒也容易回收，但不能对大面积工件进行喷砂处理。

湿法喷砂是鉴于干法喷砂尤其是露天干法喷砂粉尘大，容易造成操作工人患硅肺病而改进的。湿法喷砂是将砂粒用含有0.4％～0.6％的亚硝酸钠的水溶液处理后，洗掉砂粒上的粉尘再进行喷砂。湿法喷砂的优点是消除了粉尘，表面处理质量好，缺点是效率不如干法喷砂高，而且冬季不易露天操作。

2）化学除锈法：包括化学浸蚀和电化学浸蚀两种方法。所谓浸蚀，就是利用酸能溶解铁等氧化物这一原理，将金属表面用酸或酸性盐（对铝合金一般用碱）的溶液处理，除去氧化物的过程。

①化学浸蚀：常见黑色金属表面的锈，主要成分是Fe₂O₃，也有一些FeO。金属在热处理时所形成的氧化皮，其外层成分是Fe₂O₃和FeO（Fe₃O₄），这些氧化铁都可以用酸处理（硫酸、盐酸或混合酸）。

对于铸铁件因为它含硅往往要加入一些氢氟酸，以便使硅变成氟硅酸。

对铝和铝合金一般常用10％的氢氧化钠水溶液浸蚀，然后再用硝酸进行浸亮处理。

常用金属化学浸蚀法见表9-5。

表9-5 常用金属化学浸蚀法

②电化学浸蚀：黑色金属在电解液中，通过直流电的作用，可以进行电化学浸蚀。当被处理的金属制品作为阳极进行电化学浸蚀时，是借助金属的电化学和化学溶解及金属上析出的氧气泡机械地剥落作用来清除氧化皮。当作为阴极进行电化学浸蚀时，除去氧化皮是借助于金属表面析出的氢对氧化物还原及机械剥落作用。

对于具有厚而致密的氧化皮的金属制品，先进行化学强浸蚀之后，使氧化皮疏松，再进行电化学浸蚀。电化学浸蚀的特点是浸蚀速度快，酸液消耗少，并能浸蚀合金钢。缺点是耗费电能，而且对表面不规整的金属零件浸蚀效果差。

阴极浸蚀的优点是金属基体一般不受浸蚀，不会改变零部件的几何尺寸。缺点是容易引起氢脆。阳极浸蚀则相反。对于形状复杂的零件也可采用先阳极浸蚀，再阴极浸蚀的方法。

阳极浸蚀用的电解液通常是15％～20％的硫酸溶液，温度10～30℃，电流密度为5～10A/dm²。有时在电解液中添加适量的缓蚀剂如若丁等。

（3）化学活化处理 金属材料经过上述除油、除锈处理后能满足一般粘接要求。但要进一步提高金属材料的粘接强度，减少粘接强度的分散性还需对金属材料进行化学活化处理。化学活化处理的作用是进一步清除金属材料表面惰性物质，改变表面的性质，使其表面虽现高的表面能状态。例如，铝合金经硫酸-重铬酸钠化学处理剂处理后，表面形成许多很小而又致密的氧化腐蚀坑，大大增加了表面积。同时，这一层氧化膜具有高极性，能与极性粘合剂形成牢固的次价键，提高了粘附力。常用金属材料化学活化处理法见表9-6。

表9-6 常用金属材料化学活化处理法

（4）金属材料表面处理质量检验 一般采用水滴法，即用蒸馏水滴在被处理金属表面，如果水成连续水膜，说明表面洁净，如果水成不连续珠状，则说明金属表面仍有非极性物质，需要继续处理。另外被粘材料一经表面处理应在4～8h之内使用，超过8h一般应重新处理。

3.非金属材料的表面处理

（1）机械处理法 非金属材料的机械处理法和金属材料的机械处理法基本相同。要注意的是：对塑料等高分子材料不但要除去表面油污，还要去掉表面残存的脱膜剂、增塑剂和硫化剂等。对于极性塑料制品来说，机械处理采用砂纸打磨是一种较好的方法。

（2）物理处理法 是用电场、火焰等物理手段对被粘材料进行表面处理，这种方法主要用于非极性高分子材料。物理处理法设备一般造价较高，但处理时工效高，效果好，单件耗费材料少。具体方法主要有以下几种：

1）火焰处理：将被粘材料表面通过可燃气体燃烧产生的火焰进行瞬时高温燃烧，使被粘材料表面发生氧化反应，得到含碳的极性表面。这种方法适于聚乙烯、聚丙烯等。

2）放电处理

①电晕放电处理：电晕方法处理是将被处理的材料放在两平板电极间，在空气或其他气体中通以高电压（如15000V），使气体放电而碰撞要处理的表面，使材料产生极性表面。这种方法适用于聚烯烃薄膜。其装置是由电极和金属辊筒组成，施加2～100kV，3000～5000Hz的高频高压电，产生电晕放电。将薄膜通过放电区即产生一层极性膜，处理后有效期为一周。

②接触放电处理：这种方法的装置与电晕放电法类似，但金属辊筒无绝缘层，当薄膜与金属辊筒直接接触，电极与辊筒之间加2000V，1000Hz交流电，处理速度为60m/min，这种方法耗电少，处理均匀。

3）等离子处理：这种方法是用无电极的高频电场连续不断提供能量，使等离子室真空度为1～10乇的气体分子（多用惰性气体）部分激化成带正离子和电子的电离气体（等离子），这些等离子以每分钟几百至几千毫升的气流速度碰撞要处理的材料表面，使其生成极性层。等离子处理适用范围广，可以处理几乎所有的高分子材料，并且处理效果显著，如聚丙烯、尼龙、聚苯乙烯等材料处理用环氧树脂粘接，强度可达20MPa以上，聚四氟乙烯经处理后强度也可达5MPa以上，缺点是设备造价较高。

（3）化学处理法 是用酸、强氧化剂等将被粘非金属表面一切油污杂质清除掉或将非极性表面通过强氧化作用生成一层含碳等极性物质以利于粘接。常用方法见表9-7。

表9-7 常用非金属材料化学处理法

（4）溶剂处理 这种方法是利用某些高分子材料可以在溶剂中能溶胀而不溶解的性质，进行溶胀处理。高分子经溶胀处理后，可提高其表面活性和增加分子的活动性而有利于被粘高分子材料与粘合剂之间的扩散，提高粘接强度。如聚烯烃材料可用甲苯、丙酮、氯仿等处理。这种方法比较简便但效果不太理想。