Rulon耐磨材料的粘接工藝研究

辛存良，何世安，何玉龍，吳維薇

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十六研究所，低溫技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230043）

Rulon耐磨材料的粘接工藝研究

辛存良，何世安，何玉龍，吳維薇

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十六研究所，低溫技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230043）

選用Rulon1337耐磨材料，分別使用超聲波清洗、等離子清洗和鈉萘溶液表面處理工藝等表面處理方法，探討了Rulon1337和不銹鋼活塞的粘接工藝，同時(shí)利用噴涂方法進(jìn)行了膠層的制備，并對(duì)粘接性能進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，多種混合清洗工藝和真空旋轉(zhuǎn)粘接能夠保證粘接的強(qiáng)度，粘接強(qiáng)度相對(duì)最高達(dá)3.6 MPa，能夠較好地在壓縮機(jī)中長(zhǎng)期使用。

Rulon；清洗；活塞；噴膠；剪切強(qiáng)度

Rulon材料是一類經(jīng)由聚四氟乙烯改性后的復(fù)合材料，其具有良好的自潤(rùn)滑性能和耐磨性能[1]，常用作自潤(rùn)滑耐磨材料的基體材料。Rulon材料具有很寬的工作溫度范圍，使用溫度可以達(dá)到300 ℃以上，而且具有極低的摩擦系數(shù)，減磨性能較好。不同型號(hào)的Rulon材料具有不同的適用領(lǐng)域，由于Rulon1337在壓縮機(jī)活塞環(huán)表面具有優(yōu)異的耐磨性能，因此，常用作壓縮機(jī)活塞環(huán)的表面耐磨材料。壓縮機(jī)是斯特林制冷機(jī)中重要的組成部分，而壓縮機(jī)中活塞表面的耐磨材料是其斯特林制冷機(jī)性能和壽命的關(guān)鍵影響因素。目前，在壓縮機(jī)中普通活塞的耐磨性較差、可靠性較低，因此，研究活塞表面的耐磨材料至關(guān)重要?，F(xiàn)在一般是將耐磨材料粘接在活塞表面起耐磨的作用，具體的模型如圖1所示。

圖1 模型圖Fig.1 Schematic of model

本研究選用Rulon1337和不銹鋼材質(zhì)的活塞作為研究對(duì)象，對(duì)表面處理工藝和粘接工藝進(jìn)行研究，對(duì)Rulon1337和活塞的粘接性能進(jìn)行分析，以獲得滿足壓縮機(jī)使用的性能要求。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

Rulon1337，法國(guó)進(jìn)口；活塞、鈉萘溶液，自制；環(huán)氧膠粘劑，三鍵化工（上海）有限公司；丙酮、無水乙醇，市售。

1.2 儀器與設(shè)備

Jk-10A型超聲波清洗機(jī)，合肥金尼克機(jī)械制造有限公司；DQX-206E型等離子清洗設(shè)備，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所；MTS810型材料拉伸試驗(yàn)機(jī)，美國(guó)MTS系統(tǒng)公司；DZF-1B型真空干燥箱，上海賀德實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；MM-400型光學(xué)顯微鏡，日本尼康公司；荷花牌2#噴槍，上海噴槍廠。

1.3 試樣制備

所需的試樣先經(jīng)過丙酮超聲清洗、等離子清洗、納萘溶液處理，最后再用丙酮超聲清洗。

1.4 性能測(cè)試

（1）微觀形貌：采用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察。

（2）剪切強(qiáng)度：按照GB/T7124—2008標(biāo)準(zhǔn)，采用材料拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 清洗工藝對(duì)粘接強(qiáng)度的影響

為了徹底清除粘接面的污物，保證粘接強(qiáng)度，有必要對(duì)粘接面進(jìn)行多道工序的清洗。丙酮超聲清洗方法主要通過超聲波作用在丙酮溶劑中將樣件表面的油脂和污物清洗掉；等離子清洗除了更徹底地將油脂和污物清洗掉之外，最主要的是通過等離子體的活性組分（包括離子、電子、活性基團(tuán)、激發(fā)態(tài)的核素和光子等）來處理樣件表面，從而達(dá)到常規(guī)清洗方法無法達(dá)到的清洗效果。等離子清洗具有良好的均勻性、重復(fù)性和可控性，故清洗效果較明顯[2]。待等離子清洗之后，在1 h內(nèi)對(duì)Rulon1337耐磨材料進(jìn)行鈉萘溶液的表面活化處理，由于Rulon1337是聚四氟乙烯改性的復(fù)合材料，聚四氟乙烯是“不粘材料”[3]，因此，通過鈉萘溶液的處理可使Rulon1337表面達(dá)到活化的目的。待鈉萘溶液處理后再次進(jìn)行丙酮超聲清洗以除去殘留的鈉萘溶液。多種清洗工藝保證了粘接面潔凈無污物，有利于提高粘接強(qiáng)度和穩(wěn)定粘接面。

清洗后的活塞和Rulon1337耐磨材料表面的顯微形貌如圖2所示。由圖2可以看出：材料表面無污物且微觀下材料表面凹凸不平，這樣就可以保證粘接過程中膠層能夠充滿粘接面，使活塞和耐磨材料環(huán)粘接牢固。

圖2 清洗后的活塞（左）和Rulon1337（右）表面形貌Fig.2 Surface appearances of piston（left）and Rulon1337（right）after cleaning

2.2 粘接工藝對(duì)粘接強(qiáng)度的影響

2.2.1 膠層制備對(duì)粘接強(qiáng)度的影響

常規(guī)粘接是在被粘接的2個(gè)樣件表面涂覆一層膠粘劑，然后將2樣件進(jìn)行粘接固化成型。這種粘接方法的缺點(diǎn)是膠粘劑在涂覆時(shí)不均勻且導(dǎo)致混入較多的空氣進(jìn)入膠層，使膠層固化后易出現(xiàn)氣泡空隙，使樣件粘接不牢固，壽命較短。因此，膠層的制備極為關(guān)鍵。

通過噴涂的方式制備膠層（簡(jiǎn)稱噴膠）是一種新型方法，具體的制備流程如圖3所示。將一定量的膠粘劑溶解在盛有適量無水乙醇的燒杯中，然后在均質(zhì)攪拌機(jī)的作用下均質(zhì)攪拌使膠粘劑溶解充分，接著倒入噴槍中，以噴涂的方式在樣件表面進(jìn)行噴膠，最終形成一層薄薄的膠層，而膠層中的無水乙醇在加熱過程中快速揮發(fā)，同時(shí)帶走混入膠層的空氣，保證了膠層均勻無氣泡。

圖3 膠層制備流程Fig.3 Preparation process of adhesive layer

2.2.2 旋轉(zhuǎn)粘接對(duì)粘接強(qiáng)度的影響

旋轉(zhuǎn)粘接是通過一定轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)的活塞上進(jìn)行粘接的過程。其步驟是：先將Rulon1337材料放置在60～80 ℃的真空烘箱中保溫30 min，真空烘箱的真空負(fù)壓度控制在0.1 MPa，之后將活塞固定在旋轉(zhuǎn)機(jī)上夾好，然后設(shè)置旋轉(zhuǎn)機(jī)一定的轉(zhuǎn)速，將噴槍里的膠粘劑在氮?dú)鈮毫ψ饔孟戮鶆虻貒娡吭诨钊砻妫瑖娡拷Y(jié)束之后均勻加熱活塞表面以加速無水乙醇的揮發(fā)，同時(shí)帶走膠層中混入的空氣，然后將在真空烘箱里保溫的Rulon1337材料取出均勻地與勻速旋轉(zhuǎn)的活塞進(jìn)行旋轉(zhuǎn)粘接，以保證粘接的均勻性。粘接后的樣件放在真空烘箱中按照膠粘劑的固化工藝進(jìn)行固化，并用顯微鏡觀察固化后粘接樣件粘接部位的顯微形貌，結(jié)果如圖4所示。圖4a是粘接界面處的顯微形貌，圖4b是粘接樣件的一體顯微形貌，由圖4可以看出：粘接界面處無氣泡、也無粘接殘缺結(jié)構(gòu)的存在，即粘接面完好。

圖4 粘接界面處的顯微形貌Fig.4 Microscopic appearances of bonding interface

2.3 粘接性能

對(duì)粘接樣件進(jìn)行拉伸剪切強(qiáng)度的測(cè)試，同一批次進(jìn)行5件的粘接及性能測(cè)試，結(jié)果如表2所示。

表2 不同批次粘接樣件的粘接性能Tab.2 Bonding properties of different batch bonding specimens

由表2可知：同一批次粘接樣件的剪切強(qiáng)度 基 本 一 致 ， 即1#、 2#和 4#的 數(shù) 值 為3.6 MPa，而3#和 5#的數(shù)值為3.5 MPa，性能稍有下降。這可能是由于在固化時(shí)局部溫度過高，在固化過程中導(dǎo)致整個(gè)粘接面局部發(fā)生了快速固化，這一部分固化后的交聯(lián)點(diǎn)會(huì)比較集中；還有一些部分則比較稀疏，表現(xiàn)出一定的脆性，在受力時(shí)容易發(fā)生脆性斷裂，因此，在整個(gè)粘接面進(jìn)行測(cè)試時(shí)會(huì)出現(xiàn)性能下降的現(xiàn)象。但通過觀察測(cè)試后的樣件，其斷裂層的表現(xiàn)都為以內(nèi)聚破壞為主的破壞形式。

3 結(jié)論

（1）經(jīng)丙酮超聲清洗、等離子清洗、鈉萘溶液活化處理和丙酮超聲清洗等表面處理后，Rulon1337表面起到了徹底清洗的效果和表面活化的作用，有利于粘接性能的提高。

（2）通過引入噴膠這一配膠工藝，消除了粘接過程中空氣的混入，同時(shí)保證了粘接膠層的均勻性和牢固度。

（3）對(duì)粘接后的同批次樣件在同種條件下進(jìn)行拉伸剪切強(qiáng)度的測(cè)試，活塞與Rulon1337耐磨材料的粘接強(qiáng)度為3.6 MPa，效果較好，能夠滿足在壓縮機(jī)中的長(zhǎng)期使用。

[1]宮德利,薛群基.聚四氟乙烯及其復(fù)合材料的轉(zhuǎn)移與磨損[J].固體潤(rùn)滑,1990,10(2):73-83.

[2]唐娟,程凱,鐘明全,等.等離子清洗多層陶瓷外殼的研究[J].表面技術(shù),2011,40(6):98-100.

[3]黃麗,楊儒,郭江江,等.微米和納米SiO2改性聚四氟乙烯的摩擦磨損性能[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2004,21(4):82-86.

Study of bonding process of rulon wear-resisting material

XIN Cun-liang, HE Shi-an, HE Yu-long, WU Wei-wei
(Key Laboratory of Low Temperature Technology in Anhui province, The 16th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Hefei, Anhui 230043, Chinaa)

Choosing Rulon1337 as the wear-resisting material and using the ultrasonic cleaning, plasma cleaning and sodium naphthalene etching solution cleaning as the mixed surface treatment method, we discussed the bonding process of stainless steel piston and Rulon1337, prepared the adhesive layer on the stainless steel piston by spraying and analyzed the results of bonding property. The results indicate that using the mixed cleaning technique and the vacuum keeping warmrotation bonding-vacuum curing can essure the bonding strength, and the shear strength is 3.6 MPa, which can be used in the compressors over a long period of time.

Rulon; cleaning; piston; adhesive spreaying; shear strength

TG494

A

1001-5922（2017）11-0064-03

2017-03-16

辛存良（1988-），男，碩士，工程師，主要從事耐磨材料、DLC鍍膜相關(guān)研究。E-mail：cunliangxin@163.com。