Unión de caucho a metal: procesos, adhesivos y modos de falla

La unión de caucho a metal es el proceso que hace que un elastómero y un inserto de metal sean una sola pieza que transporta carga y, cuando funciona, nadie se da cuenta. Cuando falla, un soporte de motor cae, suena un casquillo de suspensión o se rechaza una producción automotriz de 1000 piezas en la inspección entrante. Este documento describe cómo se construyen las piezas adheridas, qué productos químicos adhesivos utilizan los talleres reales y los modos de falla que hacen que una línea de unión sea confiable o desechable. Si por primera vez está especificando un servicio de unión de caucho a metal « o solucionando el problema de la falla de pelado de su producción anterior «, comience aquí.

¿qué es la unión del caucho al metal?

La unión de caucho a metal es un proceso de unión química activado por calor en el que un elastómero sin curar se fusiona permanentemente a una superficie metálica durante la vulcanización. Una capa adhesiva de imprimación y cubierta descansa entre los dos materiales durante el calentamiento, y el calor y la presión del proceso vulcanizan nuevamente el caucho y también curan el adhesivo. La pieza terminada es un componente de unión simple que transfiere la carga mediante deformación del caucho con anclaje de carga en la línea de unión al metal.

La razón principal por la que los talleres de fabricación se preocupan por la química en lugar de simplemente atornillar, remachar o soldar una almohadilla de goma a una pieza metálica es que los sujetadores mecánicos concentran la tensión en cada punto de sujeción, causan fatiga del caucho alrededor del orificio y degradan la vida útil del sello y, finalmente, se filtran bajo carga dinámica. Una unión química distribuye la carga en toda el área de contacto, soporta millones de ciclos de calor, amortigua los traqueteos, se desliza bajo la carga sin chirridos y guarda silencio durante toda la vida útil de la máquina. Por eso, transportar caucho a metal mediante unión en aplicaciones de ruido, vibración y aspereza es una solución preferida a los conjuntos soldados, remachados o atornillados: el elastómero une la amortiguación al avión, al camión y al riel, manteniéndose casi invisible para el borde del espectro. datos de vibración.

¿cuál es el propósito de la unión del caucho al metal?

La necesidad funcional es combinar dos propiedades que ningún material tiene: la absorción de energía elástica de un caucho con el casquillo y la capacidad de fijación del metal. El caucho por sí solo no se puede atornillar al compartimento del motor sin abrir el orificio del perno. El metal por sí solo no puede absorber la banda de vibración de 20-200 Hz que crea la calidad de marcha y el confort de la cabina. Unirlos produce un aislador que se monta como un metal, humedece como un caucho, exactamente lo que hace que los casquillos de suspensión y los soportes del compresor funcionen de manera confiable durante millones de ciclos.

La calidad de la unión caucho-metal se prueba de acuerdo con ASTM D429 Métodos de prueba estándar para la adhesión de propiedades del caucho a sustratos rígidos, que delinea cinco métodos de prueba con letras. El método A utiliza un sándwich de caucho entre metales tirado en tensión. El método B, la prueba de pelado de 90 grados, es el estándar industrial de facto para el control de calidad de producción porque no solo indica el grado de resistencia de la unión, sino que también señala dónde falló la unión (R, RC, CM o M, detallado en la sección de modos de falla). La prueba de pelado de 90 ha sido probada en la industria desde al menos la década de 1980.

¿cómo se une el caucho al metal? El proceso de 5 etapas

Cada línea de proceso de unión de caucho a metal (cada taller, desde 500 piezas por día, fabrica un taller hasta 50 000 por semana (los OEM de nivel 1 que trabajan en soportes de motor según el estándar automotriz IATF 16949, por ejemplo), pasa por las mismas cinco etapas. Lo que diferencia a cada taller es el grado de control estricto de cada paso. Estos cinco pasos son: preparación de la superficie metálica, recubrimiento de imprimación, recubrimiento adhesivo de capa de cobertura (capa superior), moldeo con cocurado y control de calidad destructivo.

Las fallas a menudo comienzan en el paso de preparación del metal. El aceite de molienda, las huellas dactilares ambientales, el arrastre de silicona del compresor de un taller o simplemente la oxidación ambiental de una superficie de acero desnuda horas después de la voladura pueden causar una ruptura instantánea de la unión antes de la aplicación de la imprimación. Un ingeniero de caucho veterano de Eng-Tips afirma que subcontratar el paso de preparación del metal a un especialista, con comandos documentados de espesor de la capa de imprimación y controles de calidad por lote, redujo su tasa de defectos a muy por debajo de 1%, eliminó por completo todas las fallas de la capa adhesiva y permite que el resto de su tienda continúe funcionando con altos estándares de calidad con una productividad muy alta. Ese mismo efecto puede ser realizado por un personal concienzudo del taller que controla minuciosamente la limpieza de la superficie, limita estrictamente la manipulación de alimentos o bebidas y utiliza una única marca de imprimación consistente.

“No hemos experimentado un fallo de unión como el que usted describe. En general, seleccionar la formulación de imprimación correcta para el sustrato y el caucho, los buenos procedimientos en la preparación y aplicación de la imprimación y el desarrollo de la presión adecuada del molde influyen en el éxito de la adhesión”

¿qué temperatura se utiliza para unir caucho a metal?

La temperatura de curado varía según el elastómero y el sistema adhesivo. El caucho natural y el neopreno unidos Chemlok 205/220 al acero con bajo contenido de carbono en un molde de inyección o transferencia generalmente se curan a 145171 C (293340 F), bajo presión de sujeción, de 10 a 20 minutos. Una temperatura de curado más alta acelera el tiempo del ciclo, pero puede provocar un curado excesivo del caucho (resistencia a la tracción reducida) y envejecimiento térmico del adhesivo. Una temperatura de curado más baja deja el caucho poco curado y crea una variación de dureza entre las cavidades, que es uno de los modos de falla más fáciles de pasar por alto hasta que comienzan los retornos del campo.

Comparación de tres métodos de unión: vulcanizado, poscurado y mecánico

No todos los conjuntos de “caucho adherido a metal” utilizan la misma química. Encontrarás tres enfoques dominantes y no son intercambiables. Seleccionar el enfoque incorrecto es la forma más rápida de subestimar una pieza que debería haber sido diseñada para un cocurado, o sobreespecificar una pieza que puede haber necesitado un simple casquillo de ajuste a presión. Usar esta matriz de comparación del proceso de moldeo como punto de partida, haga referencia cruzada con la siguiente tabla.

La conclusión de esa tabla es que solo la unión vulcanizada proporciona el modo de falla por desgarro de caucho que esperan los usuarios finales automotrices e industriales. Las aplicaciones de adhesivos post-curado son válidas para reparación y creación de prototipos; La encapsulación mecánica es la opción correcta para sellos portantes con metal cautivo, pero ninguno de ellos produce la unión interfacial química que soporta un millón de ciclos de tensión en condiciones NVH. Si tiene un proveedor que propone adherir una almohadilla de caucho curado a un soporte metálico en un soporte de motor, esa pieza fallará en el campo.

¿cuál es la diferencia entre el enlace vulcanizado y el post-curado?

En la unión vulcanizada, el caucho sin curar se adhiere al metal imprimado -, el ciclo de moldeo es también el ciclo de activación adhesiva. Los grupos reactivos del cebador se complejan con las moléculas de elastómero reticulantes a medida que se desarrollan, y eso explica por qué la superficie de falla es caucho (el caucho se desgarra antes que la línea de unión). La unión posterior al curado implica un caucho ya completamente reticulado y químicamente reactivo, y el adhesivo sólo puede agarrar la superficie exterior del caucho. Ahí es donde la fuerza de pelado disminuye en un orden de magnitud y el modo de falla cambia de desgarro de caucho a falla de línea adhesiva.

También existe una paradoja del espesor del cebador menos habladora. La hoja de datos de LORD Chemlok 205 enumera una película seca de 0,2 a 0,4 millones. Un experto en enlaces aeroespaciales Informes ENG-Tips que los cebadores deben mantenerse por debajo de 0,0002 pulgadas porque la mayoría de los cebadores estructurales se vuelven quebradizos y se convierten en el eslabón débil por encima de ese umbral. Fallan tanto el recubrimiento como el recubrimiento inferior; la ventana del proceso es más estrecha de lo que admiten la mayoría de las especificaciones.

Adhesivos para unir caucho a metal « La matriz de selección

Pregúntele a cualquier ingeniero de caucho qué adhesivo usar y la primera respuesta estará dominada por “hablar con LORD” ñan que, desde la adquisición por parte de Parker Hannifin, significa Adhesivos vulcanizantes Parker LORD Chemlok. La familia Chemlok ha sido el estándar industrial de facto de clase mundial desde que LORD Corporation la comercializó en la década de 1950, e incluso los competidores que se destacan en la unión de caucho a metal especificarán Chemlok en sus propias líneas. Las familias Thixon de Henkel y Megum de Rohm & Haas son alternativas creíbles para ambas químicas de elastómeros específicas, pero Chemlok es el punto de partida predeterminado.

La elección de un sistema adhesivo se convierte en un problema de tres variables: el compuesto elastómero, el sustrato metálico y el entorno de servicio. Los emparejamientos Chemlok más comunes se resumen en la siguiente tabla. Combínalos con los suyos selector de compuestos elastómeros de caucho para finalizar el grado de goma antes de comprometerse con un adhesivo.

“Unir EPDM al metal siempre ha sido un problema. Realmente necesitas contactar a LORD para que controle un adhesivo especializado o parámetros de proceso. Este no es un caso en el que una pila Chemlok estándar resuelva el problema por sí sola.”

Este consenso del foro tiene absorción: en particular, el EPDM curado con peróxido puede ser el elastómero con mayor probabilidad de sorprender incluso a un ingeniero experimentado. El EPDM curado con azufre se une decentemente con una pila de imprimación estándar, pero el EPDM curado con peróxido no tiene sitios de reticulación de azufre para el agarre adhesivo y da como resultado un modo de falla del caucho de cemento (RC) en la prueba de resistencia al pelado. Cuando las especificaciones requieran EPDM a alta temperatura, diagnostique qué sistema de curado desarrolló el compuesto de caucho antes de depositarlo en un procedimiento de unión.

¿el E6000 unirá caucho con metal?

E6000 es un adhesivo de contacto diseñado para su uso en manualidades y reparaciones de consumidores. Mantendrá una almohadilla de goma sobre un soporte metálico en condiciones estáticas durante un corto tiempo, pero de ninguna manera es una solución de fabricación. La resistencia al pelado de las especies de caucho y metal unidas con E6000 es un orden de magnitud inferior a la de los sistemas Chemlok de grado automotriz, la línea de unión no es resistente al aceite o al ciclo térmico, y el adhesivo se ablanda bajo una carga estática sostenida superior a aproximadamente 60 C. Para cualquier pieza unida de caucho a metal que pueda encontrar corte dinámico, ciclos térmicos o fluido en funcionamiento, los adhesivos de calidad para el consumidor son la herramienta incorrecta para usar. Utilice sistemas de imprimación y cubierta de grado de vulcanización y cure el caucho en el metal en un solo ciclo de molde.

Cinco modos de falla comunes « y cómo diagnosticarlos

Todos los fallos de unión parecen ser a simple vista el mismo problema: una pieza de goma se cae de un inserto metálico. ASTM D429 El método B le da al ingeniero plástico las palabras para describir lo que sucedió exactamente cuando se revelan las 4 superficies de falla: R significa desgarro de goma (verde), RC significa falla entre la goma y la capa de cubierta (amarillo), CM significa falla entre la capa de cubierta y el metal (naranja), y M significa imprimación que se unta de la superficie del metal (rojo). Esa letra indica en qué parte del proceso de fabricación mirar primero. Aquí están los cinco modos de falla que brindan la gran mayoría de los retornos de campo: resumidos de Schilthorn Precision's análisis publicado en modo de falla y profesionales en el foro de ingeniería del caucho Eng-Tips.

1. Fallas de CM en la superficie metálica que transporta contaminantes de aceite. Este es el clásico. Los síntomas incluyen “ríos” de manchas de aceite en la cara fallida, depósitos desiguales de imprimación, fallas en las pruebas de rotura de agua (repelentes de agua en lugar de adherirse a la superficie metálica limpia) y huellas dactilares o contornos de los dedos. Las causas van desde el arrastre de silicona del compresor de aire de un taller hasta la contaminación de las huellas dactilares y la formación de óxido debido a que la ventana de explosión a prima es demasiado larga. La acción correctiva son procesos disciplinados: métodos de desengrase validados, una ventana de tiempo definida de explosión a prima, manipulación con guantes de algodón y pruebas de rotura de agua de la superficie limpia antes de cada operación de cebado. Un ingeniero de caucho pudo reducir su tasa de defectos a aproximadamente 1% mediante la aplicación rigurosa de mediciones del espesor del cebador a la superficie; este debería ser el modelo para el taller.

2. Fallas de RC por variación del espesor de la imprimación o de la capa de cobertura. Esta es la paradoja del espesor de la imprimación del último párrafo (en caso contrario, “castiga” a la tienda por exceso y deficiencia en la cantidad del promotor de adhesión de la imprimación). Si la imprimación es demasiado delgada, se desarrollan orificios a través de los cuales fluye el caucho durante el moldeo, creando zonas débiles locales. Demasiado grueso, se vuelve quebradizo una vez curado y se agrieta a tiempo hasta la carga de pelado. Los síntomas incluyen una separación limpia de la cara adhesiva después de la prueba de desgarro del caucho y rayas visibles en el “patrón del río” en la cara fallida. Las contramedidas son calibrar el equipo de pulverización periódicamente, monitorear el contenido de sólidos de la imprimación y pulverizar y medir destructivamente las piezas de prueba de la sección transversal de la muestra y medir el espesor real de la película seca.

3. desequilibrio entre subcurado y curado: más común de lo que piensas. Por lo general, nunca se notará la necesidad de volver a ejecutar el proceso con temperaturas más altas y tiempos de ciclo más largos en los promedios de calidad (puede tomar de 3 a 6 meses de tensión de campo antes de que las piezas probadas por calor envejecidas y fatiga comiencen a mostrar pérdida de resistencia a la tracción y líneas de unión antes de fallar. Las causas generalmente se reducen a la deriva de la temperatura de la placa, la reducción del tiempo del ciclo sin revalidación o los gradientes térmicos en moldes de múltiples cavidades que permiten que algunas cavidades se curen insuficientemente mientras que otras cavidades se curan excesivamente. Los remedios son pruebas de reómetro para establecer el mejor perfil de curado para el elastómero formulado, mapeo térmico de la prensa y pruebas de envejecimiento acelerado antes de la implementación del cambio.

4. Desajuste del compuesto de peróxido-EPDM. Este modo de falla es lo suficientemente específico como para que muchas tiendas lo vean solo una vez y, cuando lo hacen, puede costar ejecuciones completas de preproducción. El EPDM curado con peróxido tiene una química superficial diferente a la del caucho curado con azufre, y los cebadores Chemlok convencionales a menudo no se unen en absoluto. El peróxido-EPDM necesita un sistema de imprimación compatible con peróxido. Lo que resulta es una falla RC con una línea de pelado de caucho característicamente limpia. Nunca asuma que un cambio de compuesto de caucho es neutral en cuanto a enlaces: siempre ejecute primero un lote de verificación ASTM D429.

5. Fallo en la ventilación del moho debido a acumulaciones de tolerancia. Éste sorprende incluso a los ingenieros experimentados « a publicación de seguimiento en el hilo Eng-Tips describe un caso en el que la pila de tolerancia dimensional del inserto estaba creando un sello involuntario a lo largo de un borde de la cavidad del molde, impidiendo la purga adecuada del aire durante el ciclo de sujeción. El aire atrapado en la interfaz produjo huecos localizados y un borde de unión débil, un modo de falla que parece contaminación adhesiva pero que en realidad es un problema de diseño de accesorios. La acción correctiva es la verificación CMM de la planitud y concentricidad del inserto, la simulación del flujo durante el diseño del molde y el control de la presión de la cavidad en la producción. Por eso los proveedores de caucho adherido se toman en serio la tolerancia del inserto, no es sólo una cuestión de ajuste y acabado.

Donde se utilizan los enlaces de caucho a metal « Industrias y tipos de piezas

Las piezas de caucho adheridas aparecen dondequiera que se deban amortiguar las vibraciones y transferir la carga de manera confiable a temperaturas extremas, a veces durante décadas seguidas. Nuestra breve lista de industrias cubre automoción, transporte ferroviario, maquinaria industrial, dispositivos aeroespaciales y médicos. Lo que realmente difiere es cómo cambian las limitaciones de diseño entre esos mercados y cómo la elección entre caucho de nitrilo, EPDM o FKM es impulsada por el entorno térmico y fluido específico que impone cada aplicación.

• Automotriz.: soportes de motor, soportes de transmisión, soportes de cabina, casquillos de suspensión, casquillos de barra estabilizadora, soportes de cremallera de dirección. La especificación dominante es IATF 16949 y el objetivo de resistencia al pelado dominante es 6 kN/m en el dispositivo ASTM D429.
• Transporte ferroviario y masivo: casquillos de suspensión primaria y secundaria, almohadillas antivibraciones debajo del material rodante, soportes de motor de tracción. Un requisito de vida más larga (más de 20 años) conduce a secciones más pesadas y polímeros base resistentes a la oxidación.
• Maquinaria industrial: soportes de compresores, aisladores de bombas, aisladores de montaje a presión, patines de maquinaria. Selección de durómetro depende del cálculo de frecuencia perturbadora versus frecuencia natural en esta aplicación. El caucho blando es la respuesta incorrecta si la frecuencia de operación se acerca a la frecuencia natural de la montura.
• Aeroespacial y defensa: aisladores de vibraciones para aviónica, amortiguadores de trenes de aterrizaje, soportes de pilones de motor. Control más preciso del espesor del cebador (la regla aeroespacial < 0,0002 «) y pruebas de calificación adicionales.
• Aplicaciones en dispositivos médicos: eje adherido para diafragma de bomba, aislador de silicona a metal para engranajes compatibles con resonancia magnética, componentes de bomba de contacto médico-alimentario. La calificación FDA/LFGB/NSF a FDA/LFGB/NSF agrega un proceso de selección además de la química del proceso de unión.

Si bien muchos ingenieros de soportes de motores están interesados en las aplicaciones NVH, a menudo son los primeros en no pensar en un aspecto fundamental de ellas: si se puede cambiar la frecuencia natural de un soporte en 5 Hz, se puede cambiar en un factor de 2. desde el interior solo con el durómetro de goma, la sección transversal unida y la rigidez del inserto metálico, la parte estática del diseño. Bondline debe existir dentro de tres rutas de carga: cuando la goma se estira y aprieta, el inserto metálico empuja hacia atrás y la capa de imprimación transfiere corte en la interfaz. Cualquiera de esos tres será un soporte altamente transmisivo (si es el más rígido y, por lo tanto, menos transmisivo), o una varilla de caucho adherido con un modo de falla que inhibe el error de corte de la línea de unión.

Cómo elegir un método de unión de caucho a metal « Un marco de decisión

No existe una respuesta única correcta para “¿qué método de unión debo utilizar?” porque en realidad se trata de tres preguntas en una: sustrato, elastómero, entorno. El siguiente modelo de decisión de tres ejes reduce la mayoría de los problemas de especificación a un punto de partida práctico. Haga coincidir esto con el comparación de propiedades de elastómeros antes de decidir qué grado de caucho usar.

Antes de emitir cualquier especificación, pase por una lista de verificación previa a la unión de cinco elementos: (1) establezca un objetivo mensurable de resistencia al pelado del Método B ASTM D429, no una “buena unión”; (2) establecer la envolvente completa de temperatura de servicio, incluidos los transitorios de arranque y apagado; (3) especificar la aleación del sustrato y el acabado (rugosidad de la superficie Ra, no “pulida”); (4) sellar el compuesto elastómero y el sistema de curado con el proveedor; y (5) verificar que el sistema adhesivo seleccionado no contenga plomo (220LF o equivalente) si lo dicta REACH, RoHS o la especificación OEM. Cada entrada debe estar unida a un estándar mensurable, ya sea un número, norma o prueba de aprobación/falla.

Preguntas frecuentes

¿gorilla Glue une el caucho al metal?

¿cuál es el adhesivo de caucho a metal más resistente?

¿Se puede unir caucho al acero inoxidable?

¿cuánto dura una unión de caucho a metal?

¿es lo mismo la unión de caucho a metal que la moldura de inserción?

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