Unión de caucho a metal: cómo funciona, por qué falla y cómo hacerlo bien

Unión de caucho a metal es la unión químico-física de dos materiales diferentes, un elastómero y un sustrato metálico, en un único componente integral. Cada buen soporte de motor que amortigua el movimiento del motor de un vehículo, cada casquillo antivibración que aísla un pμmp del ruido de la maquinaria, cada sello hidráulico que contiene presión es un ejemplo de unión sólida y permanente entre caucho y metal. En 2011, el mercado mundial de piezas unidas de caucho a metal superó los 1.370 millones de dólares, con un pronóstico de crecimiento anual compuesto de 6,1% hasta 2024, aumentando con el uso cada vez mayor de estas piezas en equipos, componentes aeroespaciales y automóviles.

Este artículo define la unión de caucho a metal, describe el proceso de unión de 5 etapas, muestra la comparación de las vías de unión, analiza las aplicaciones por industria y detalla los modos de falla del producto y las estrategias de prevención. Las decisiones sobre la unión de caucho y metal pueden ser complejas; Ya sea que elija un fabricante de adhesivos o obtenga una pieza adherida, este documento técnico proporciona la orientación técnica y de ingeniería necesaria para obtener resultados óptimos.

¿qué es la unión del caucho al metal y por qué es importante?

La unión de caucho a metal es el proceso mediante el cual un compuesto elastómero se une químicamente con un sustrato metálico durante el proceso de moldeo y curado de la pieza compuesta. Una vez adherido, es imposible eliminar el elastómero sin destruir el conjunto adherido, a diferencia de las piezas fijadas o las adheridas con adhesivos aplicados en la superficie.

La unión caucho-metal crea un componente combinado singular al unir dos materiales de caucho y metal intrínsecamente diferentes en un solo compuesto: el caucho proporciona capacidad de sellado, flexibilidad, cualidades de amortiguación de vibraciones y sonido, y se desliza entre las piezas de la maquinaria, mientras que el metal proporciona rigidez e integridad estructural, capacidades de soporte de carga y fijación.

El proceso de unión del caucho al metal: 5 pasos críticos

¿cómo se une el caucho al metal?

La unión del caucho al metal se logra siguiendo un procedimiento de envejecimiento y fabricación controlado con precisión dentro de la industria del caucho que implica la preparación del sustrato metálico, recubriéndolo por lotes con los agentes de adhesión, presionando el lote sobre un molde y curándolo bajo calor. y presión. Durante el proceso de vulcanización, los agentes adhesivos activan y unen químicamente el caucho al sistema de unión, creando un enlace químico permanente en la interfaz y al mismo tiempo los enlaces cruzados del caucho forman su estado elastómero final. El producto final es tal que el caucho no permitirá que se rompa la unión sin destruir uno de los materiales involucrados.

A continuación se detallan los cinco pasos que constituyen el proceso para producir piezas metálicas de caucho adheridas básicas:

1. Preparación de la superficie metálica: el proceso comienza con la limpieza de la pieza metálica para eliminar todas las capas de aceite, grasa, óxido y óxido, las piezas de acero normalmente se someten a desengrase con solvente seguido de granallado para obtener una rugosidad superficial de 50-75 m Ra. El aluminio se trata mediante grabado químico o anodizado. Esto proporciona una superficie base limpia, seca y activa con el grado de rugosidad requerido suficiente para que el adhesivo se agarre.
2. Aplicación de una imprimación: se aplica una imprimación a base de disolvente o agua sobre la superficie del metal y se deja secar. La afinidad química de la imprimación del sustrato metálico para reticular el adhesivo de la capa superior para que pueda unirse a la imprimación. Los sistemas de imprimación comunes incluyen formulaciones de imprimación de resina fenólica, poliisocianato y polímero halogenado dentro de las series Chemlok y Megum.
3. Aplicación de un adhesivo de capa superior- Esta aplicación de un adhesivo de capa superior sobre la imprimación seca. El propósito de un adhesivo de capa superior es fluir cuando se seca entre la imprimación y el caucho para asegurar un recubrimiento continuo “reticulado” que asegure una unión segura. Seleccionar el adhesivo correcto según la composición del caucho y el tipo de metal que se aplica es fundamental; de lo contrario, la unión será débil, sin importar la calidad de la preparación de la superficie.
4. El caucho se moldea sobre el inserto metálico recubierto y preparado de primera calidad se coloca sobre un molde y se inyecta o coloca caucho sin curar alrededor del inserto mediante proceso de compresión, transferencia o inyección. Todo depende de la complejidad de la pieza, la tolerancia aceptable y el volumen disponible.
5. Curado y vulcanización: luego se cura todo el sistema usando presión y calor para activar los compuestos de unión incrustados en la mezcla de caucho y el proceso de reticulación. Al mismo tiempo, el caucho se entrecruza hasta su estado elástico. Las temperaturas de curado típicas varían de 140 °C a 200 °C dependiendo de la composición del sistema de unión utilizado.

Para el transporte y montaje de componentes metálicos de caucho adheridos, utilice nuestro calculadora del proceso de unión de caucho a metal calcular tiempos de ciclo y parámetros adecuados a su aplicación.

Métodos y tecnología de unión: vulcanización versus fijación adhesiva versus fijación mecánica

La conversión de caucho en metal se puede lograr utilizando tres métodos fundamentalmente diferentes para garantizar la unión. Estos métodos son:

La unión (vulcanización) es, con diferencia, el más común de estos métodos de unión. Durante el moldeo se utilizan cebadores y sistemas adhesivos especializados para unir el caucho al metal a nivel molecular vulcanizando el caucho. La unión que se forma es permanente y el caucho no se puede eliminar más que destruyendo la pieza. Este método proporciona la mayor fuerza de unión y la mejor resistencia a la vibración, la fatiga cíclica y los ciclos de temperatura.

La unión adhesiva implica el uso de adhesivos acuosos o activados por calor para fijar el caucho ya curado al componente ensamblado mecánicamente, después de que cualquiera de los componentes se haya fabricado por separado. El uso experto de imprimaciones o pasos de pretratamiento con sistemas adhesivos proporciona la mayor fuerza de unión. Este método es adecuado para reparaciones de campo rápido, componentes ensamblados de bajo volumen y piezas de modernización donde la vulcanización no es factible en tiempo o temperatura. Existe un compromiso entre la resistencia de las uniones vulcanizadas y los pares unidos con adhesivos considerablemente más baratos. Los adhesivos producidos por proveedores como DuPont (serie Chemlok) y Henkel (Loctite) han mejorado la resistencia de la unión para muchas aplicaciones a la de la vulcanización.

Los componentes de caucho-metal también se pueden fijar mediante sujeción mecánica, lo que implica el uso de características físicas (agujeros, ranuras, socavados, placas de sujeción) que utilizan fricción y compresión para sujetar el caucho contra la superficie del componente metálico. No se genera ninguna unión química. La fijación mecánica es significativamente más barata a largo plazo, ya que los componentes de caucho desgastados pueden reemplazarse fácilmente por acción mecánica. Sin embargo, con vibración cíclica, el caucho fijado mediante este método invariablemente se afloja con el uso y, por lo tanto, no es adecuado para aplicaciones antivibraciones de alto rendimiento donde la durabilidad a largo plazo importa.

Aplicaciones del mundo real: donde funcionan los productos metálicos adheridos con caucho

Las piezas de caucho y metal adheridas están muy extendidas en todas las industrias donde es necesario controlar los signos de vibraciones o movimientos no deseados. Las propiedades de amortiguación de energía del caucho combinadas con la resistencia del metal crean componentes de alto rendimiento con una durabilidad que ninguno de los materiales habría aportado por sí solo.

Fabricación de automóviles y vehículos eléctricos Los soportes del motor, los casquillos de suspensión, los soportes de escape, los soportes de transmisión y los aisladores antivibraciones desde el paso de rueda hasta el compartimento del motor dependen de la unión del caucho al metal. Un automóvil de pasajeros típico puede contener docenas de piezas de caucho-metal adheridas. El creciente interés en los vehículos eléctricos ha aumentado la demanda de control NVH (ruido, vibración y aspereza), ya que el tren motriz eléctrico tiene un funcionamiento casi silencioso que deja las otras fuentes de vibración del vehículo cada vez más audibles.

Los soportes de transmisión de potencia aeroespacial y de defensa para motores eléctricos, los soportes de aislamiento de vibraciones utilizados para mantener la aviónica en su lugar, los casquillos para los soportes del motor y los casquillos para el tren de aterrizaje son ejemplos de componentes de caucho-metal adheridos que deben cumplir con especificaciones exigentes y muy exigentes, como por ejemplo Especificación federal MMM-A-121 para que los adhesivos unan el caucho vulcanizado al acero. Al trabajar con piezas unidas aeroespacialmente, se deben encontrar condiciones extremas como altas temperaturas y vibraciones cíclicas extremas, así como resistencia química a combustibles y fluidos hidráulicos.

Maquinaria industrial Los soportes antivibraciones para bombas, compresores y equipos de generación de electricidad protegen a otras máquinas sensibles de las vibraciones transmitidas. Los componentes adheridos de caucho y metal también se encuentran comúnmente en los rodillos de la cinta transportadora. Los equipos de minería soportan ambientes abrasivos y de impacto constante utilizando piezas adheridas.

Construcción e infraestructura La unión de caucho a metal también se emplea para plataformas de cojinetes de puentes, soportes de aislamiento de edificios para zonas sísmicas, juntas de bridas de tuberías y ojales adheridos para pasos de cables.

La interacción entre el caucho y el metal es un problema complejo que involucra fenómenos en 3 áreas específicas; física de superficies, química de polímeros y mecánica. Conocer la causalidad que rige la unión exitosa o fallida es esencial para cualquier fabricante de compuestos adheridos.

« Equipo de ingeniería de Vista Motion, Qingdao (más de 20 años en la fabricación de amortiguadores de caucho)

Seleccione el elastómero correcto para su aplicación utilizando nuestro selector de compuestos de caucho.

Por qué fallan los enlaces de caucho a metal « y cómo prevenirlos

La falla de unión en componentes de caucho a metal puede ser el resultado de cualquier número de factores. A partir de una investigación de los modos de falla típicos encontrados en la fabricación, hay seis modos de falla que se pueden observar en un compuesto de caucho a metal vulcanizado. La identificación del modelo de unión de 3 zonas (elastómero de interfaz de sustrato) proporciona información sobre dónde pudo haber comenzado esta falla.

¿cuál es la mejor unión del caucho al metal?

El proceso de unión correcto es función de tres factores: el tipo de compuesto de caucho elastómero, el metal y el entorno de aplicación. Para la fabricación de componentes de gran tamaño que experimentan vibraciones cíclicas y amplios rangos de temperatura, las uniones de vulcanización, ayudadas por un sistema de imprimación/capa superior combinado, son estándar de la industria. Para reparaciones en campos pequeños u operaciones de ensamblaje de bajo volumen, un epoxi estructural de dos partes diseñado para aplicaciones de elastómero (no adhesivo epoxi de consumo) proporciona rendimiento para cumplir con toda la resistencia, el costo y el rendimiento requeridos.

La clave es la elección adecuada de los productos químicos para que sean compatibles tanto con el elastómero como con el metal.

Para obtener una lista completa de las resistencias de unión por compuesto de caucho y tipo de metal, consulte nuestra guía de referencia de fuerza de unión.

Cómo elegir el socio de unión de caucho a metal adecuado

Cualquier ingeniero experimentado sabe que la calidad de una pieza unida de caucho a metal está limitada no sólo por el diseño sino también por el control del proceso por parte del fabricante. Al seleccionar un socio adhesivo, es aconsejable comprobar lo siguiente antes de comprometerse con una producción.

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  Preparación interna de superficies « granallado, tratamiento químico e inspección de calidad del perfil de superficie antes de la aplicación del imprimador
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  Experiencia en sistemas adhesivos « capacidad para seleccionar y validar la combinación correcta de imprimación/capa superior para su compuesto de caucho específico y sustrato metálico
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  Múltiples capacidades de moldeo « moldeo por compresión, inyección y transferencia para adaptarse a los requisitos de geometría y volumen de la pieza
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  Prueba de tracción ASTM D429 « pruebas internas de adhesión de enlaces con resultados documentados y trazabilidad
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  Revisión de DFM (Diseño para la fabricabilidad) « revisión de ingeniería del diseño de su pieza antes de utilizar herramientas, identificando posibles riesgos de falla de la unión
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  Certificaciones de calidad « ISO 9001 como mínimo; IATF 16949 para aplicaciones automotrices
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  Trazabilidad material « seguimiento por lotes de compuestos de caucho, sistemas adhesivos y sustratos metálicos durante toda la producción
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  Capacidad de creación de prototipos « capacidad de producir piezas de muestra para validación en el mundo real antes de comprometerse con herramientas de producción completas

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Preguntas frecuentes sobre la unión del caucho al metal