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《粉末冶金技術雜志》2016年第3期

摘要:

通過機械劃痕、酸洗和磷化三種表面處理的方法對鋼板進行物理和化學處理，研究了不同處理方法對鋼板與環氧樹脂粘結強度的影響。利用表面粗糙度輪廓儀、光學顯微鏡和SEM掃描電鏡對鋼板表面形貌和環氧樹脂的涂覆效果進行研究。結果表明:鋼板表面腐蝕坑的形狀、分布、粗糙度是影響其與環氧樹脂粘結強度的主要因素。通過比較，酸洗處理25min的試樣粘結強度提高最大，較未處理的樣品提高了169%。

關鍵詞:

表面處理;表面粗糙度;酸洗;磷化處理;剪切強度

表面粘涂技術是以高分子聚合物與特殊填料組成的復合材料膠粘劑涂覆于零件表面實現某種用途的新技術。提高界面粘結強度的方法主要分兩個方面［1－3］，第一是改變復合材料用的粘結劑的成分，通過對粘結劑改性達到提高其粘結力的效果。第二是對金屬基體進行表面預處理，這也是影響粘結劑/金屬界面粘結強度的重要因素［4］。在粘結之前，對金屬表面進行一系列處理以去除金屬表面氧化層和灰塵等，形成新的表面，可以提高金屬界面粘結的強度。金屬表面的處理方法大致可分為機械法和化學法兩種［5－9］。本文主要研究了幾種表面處理方法對環氧膠粘涂層剪切強度的影響，同時用拉伸剪切強度來反映涂層粘結強度。

1.試驗

1.1金屬表面處理分別使用物理劃痕、酸化和磷化對鋼板進行表面處理。具體的處理步驟如下所示:物理劃痕。物理劃痕法處理分兩種方案，一是使用800#砂紙對鋼板表面進行打磨以去除表面氧化層，之后使用銑床在鋼板表面銑出槽寬b=(2±0.2)mm，槽深h=(0.5±0.1)mm的平行槽痕［10］。二是使用不同型號的砂紙(36#、60#、80#、320#、600#)對鋼板表面進行打磨直至其表面呈現平行等深的劃痕，使用丙酮清洗去除油污，在60℃下烘干。得到表面粗糙度不同的試樣。酸化處理。首選使用600#砂紙對鋼板表面進行預處理，并使用丙酮除油污，將預處理后的鋼板浸入質量分數18%的鹽酸中，分別酸化10min、20min、25min、30min，使用去離子水沖洗干凈后，在60℃下烘干。磷化處理。按照表1配方配置鋅系磷化液［11］。將經600#砂紙打磨和丙酮除油后的鋼板置于鋅系磷化液中磷化1h，取出后用去離子水沖洗干凈，在60℃下烘干，得到磷化處理后的鋼板。

1.2試樣制備與檢測根據國家標準《GB7124－86膠粘劑拉伸剪切強度測定方法(金屬對金屬)》制備拉伸剪切試樣，如圖1所示。使用CMT4105微機電子萬能試驗機(加載速度5mm/min)測試試樣的拉伸剪切強度;使用三維表面輪廓儀測量試樣的粗糙度;使用DMR99－0426型金相顯微鏡和CAMBRIDGES-360掃描電子顯微鏡觀察試樣表面的微觀形貌。

2.結果與討論

2.1物理改性對粘結劑粘結強度的影響采用銑床對鋼板表面進行處理后其粘結強度為4.21MPa，相比于處理前(2.87MPa)提升了49%。如圖2所示為拉伸剪切破壞之后試樣的表面形貌，從圖2中可以看出，雖然劃痕的存在增大了鋼板與粘著劑之間的接觸面積，但由于粘接劑的表面張力，粘接劑難以填滿溝槽，導致粘接效果不佳。圖3為使用砂紙打磨處理后，鋼板的表面粗糙圖3鋼板表面粗糙度與粘結強度的關系Fig.3Surfaceroughnessvs.bondingstrengthofsteelplate度與對應的拉伸剪切試樣的粘結強度的關系。從圖3中可以看出，隨著鋼板表面粗糙度的增加，其粘結強度表現出現增加后降低的趨勢，峰值為6.09MPa(對應Ra=0.874μm)較未處理鋼板提升了112%。其主要原因是粗糙度增大，鋼板的表面積增大，因此鋼板與粘結劑發生相互作用的面積也增大，使得粘結更加牢固;當表面粗糙度進一步增大后，由于鋼板表面出現較深的劃痕，使得粘結劑難以均勻的涂敷在金屬表面，在粘接劑凝固過程中容易出現氣泡，出現未填滿的孔洞(如圖4所示)，對粘結層產生局部的破壞，從而使得粘結強度下降。圖4為光學顯微鏡下粘結劑涂覆鋼板表面的形貌。當鋼板表面未處理時，粘結劑在鋼板表面出現大量未涂覆的區域，如圖4(a);鋼板表面經過60#砂紙打磨后，粘結劑能夠均勻且充分的覆蓋鋼板表面，覆蓋后表面平整，無明顯的未涂覆區域，此時粘接效果最好;鋼板表面經320#砂紙打磨后，粘接劑涂覆層出現較小面積的未涂覆區域;經600#砂紙打磨后，未涂覆區域的區域面積變大，因而表現出粘結強度的降低。

2.2酸洗處理對粘結劑粘結強度的影響圖5為鋼板經不同時間酸洗處理后，表面粗糙度和對應的拉伸剪切強度的關系。從圖5可以看出隨著酸洗時間的增加試樣表面粗糙度呈現先增加后降低的趨勢，對應的拉伸剪切強度也呈現先增加后降低的趨勢，二者之間呈一定的正相關關系。拉伸剪切強度的峰值出現在表面粗糙度Ra=0.517μm處，遠低于機械劃痕法處理時峰值對應的表面粗糙度，峰值強度為7.74MPa，較未處理表面提升了169%。圖6為經過不同酸洗時間后鋼板試樣的表面形貌圖。從圖6中可以看出，在剛開始酸洗時試樣表面出現點狀的腐蝕坑，并隨著酸洗時間的增加腐蝕坑逐漸延伸成不規則的裂紋狀，在酸洗25min后表面腐蝕凹槽基本實現相互連接;進一步延長酸洗時間后表面腐蝕嚴重，試樣表面被剝離嚴重。酸洗處理后粘結強度高于機械劃痕法的原因在于酸洗可有效去除金屬表面的氧化層和有機污物，獲得一個較為清潔的表面［12，13］，該清潔表面改善了鋼表面的浸潤能力，有利于環氧樹脂等聚合物在金屬表面的潤濕和鋪展，提高了金屬表面和環氧樹脂界面間的粘接強度。另外由于腐蝕產生的腐蝕坑是均勻分布的，均勻分布的腐蝕坑有利于提升材料黏著性能。尤其是在酸洗25min后，腐蝕坑之間已經實現相互連接，有利于粘結劑的填充，因而表現出較高的粘結強度。此外，酸洗還能有效除去鋼板表面的氧化層，并對鋼板表面起到活化的作用、使其表面能增加，有利于粘接劑和鋼板實現良好的結合［9］。這些因素綜合作用導致了粘結強度的增大。當侵蝕時間達到30min，腐蝕坑變得過大而不均勻，鋼板表面剝離嚴重，表現出粘結強度的下降。

2.3磷化處理對粘結劑粘結強度的影響鋼板經過磷化處理后，其粘結強度6.10MPa，較未處理試樣提高了113%，與機械劃痕法的最優值相當。圖7為經磷化處理后，鋼板的表面形貌圖及成分。從圖7中可以看出，磷化處理后鋼板表面形成了一層以磷酸鹽為核心的放射狀分布的磷化膜，使鋼板表面存在大量的凸起，增大了鋼板的表面積;另一方面在毛細作用下，粘結劑滲入磷化膜內，增加了結合強度，使剪切強度大幅度提高。但磷化膜本身較為粗大、不致密，導致磷化膜與鋼板的附著力較低［2］，因而其粘結強度較酸洗25min的試樣低。

3.結論

(1)在一定范圍內鋼板表面粗糙度的增加能有效提升粘結劑與鋼板之間的粘結強度，但只有在合適的粗糙度下粘接劑才能完全均勻的涂覆在鋼板的表面。使用60#砂紙進行物理劃痕改性后，試樣的拉伸剪切強度的極大值為6.09MPa，較未處理的樣品提高了112%。(2)酸洗處理后表面腐蝕坑的形態和分布對粘結強度影響很大，形狀和取向均勻分布的連續腐蝕坑可以在較低的粗糙度下實現更好的粘接效果。當侵蝕時間為25min時，粘接強度達到峰值7.74MPa，較未處理的樣品提高了169%。(3)磷化處理后鋼板表面形成了一層以磷酸鹽為核心的放射狀分布的磷化膜，增加了粘著劑和基體的結合強度，表現出良好的界面性質，拉伸剪切強度達到了6.103MPa，與機械劃痕處理后相當。

參考文獻：

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作者：呂瑩瑩 紀箴 杜建華 賈成廠 張一帆 趙曉琳 單位：北京科技大學材料科學與工程學院 裝甲兵工程學院科研部