Liaison caoutchouc-métal : processus, adhésifs et modes de défaillance

Le collage caoutchouc sur métal est le processus qui fait d'un élastomère et d'un insert métallique une pièce porteuse à charge unique - et quand il fonctionne personne ne le remarque Lorsqu'il tombe en panne, un support de bague de suspension s'agite ou une série de production automobile de 1 000 pièces est rejetée lors de l'inspection entrante. Ce document décrit comment les pièces liées sont construites, quelles produits chimiques adhésifs utilisent réellement, et les modes de défaillance qui rendent une liaison fiable ou de rebut. Si vous spécifiez un service de liaison caoutchouc-métal pour la première fois (ou dépannez votre précédente série de production) échec-to-peel (commencez ici).

Qu’est-ce que le collage caoutchouc-métal ?

La liaison caoutchouc-métal est un processus d'assemblage chimique activé par la chaleur dans lequel un élastomère non durci est fusionné de manière permanente à une surface métallique pendant la vulcanisation. Une couche adhésive d'apprêt et de couche de recouvrement repose entre les deux matériaux pendant le chauffage, et la chaleur et la pression du processus vulcanisent à nouveau le caoutchouc et durcissent également l'adhésif. La pièce finie est un composant à liaison unique qui transfère la charge par déformation du caoutchouc avec ancrage de charge au niveau de la ligne de liaison au métal.

La principale raison pour laquelle les ateliers de fabrication se soucient de la chimie plutôt que de simplement boulonner, riveter ou souder un tampon en caoutchouc à une pièce métallique est que les attaches mécaniques concentrent les contraintes à chaque point de fixation, provoquent une fatigue du caoutchouc autour du trou et dégradent la durée de vie du joint, et finissent par fuir sous charge dynamique Une liaison chimique répartit la charge sur toute la zone de contact, supporte des millions de cycles thermiques, amortit les hochets, glisse sous la charge sans grincement et reste silencieuse pendant toute la durée de vie de la machine. C'est pourquoi transporter le caoutchouc vers le métal se lie aux applications de vibrations sonores et de dureté est une solution préférée aux ensembles soudés, rivés ou boulonnés, les liaisons élastomères s'amortissant l'amortissement à l'avion, le spectre et le reste presque invisible.

Quel est le but du collage caoutchouc sur métal ?

Le besoin fonctionnel est de combiner deux propriétés qu'aucun matériau n'a : l'absorption d'énergie élastique d'un caoutchouc avec la virole et la fixabilité du métal Le caoutchouc seul ne peut pas être boulonné dans un compartiment moteur sans déchirer le trou du boulon Le métal seul ne peut pas absorber la bande de vibration 20-200 qui crée la qualité de conduite et le confort de la cabine. Les lier ensemble produit un isolateur qui se monte comme un métal, amortit comme un caoutchouc, ce qui fait fonctionner les bagues de suspension et les supports de compresseur de manière fiable pendant des millions de cycles.

La qualité de la liaison caoutchouc-métal est testée selon le 1TP8 T D429 Méthodes d'essai standard pour l'adhésion des propriétés du caoutchouc aux substrats rigides, [traduction], qui délimite cinq méthodes d'essai lettrées La méthode A utilise un sandwich caoutchouc-entre-métal tiré en tension La méthode B, l'essai de pelage à 90 degrés, est la norme de facto de l'industrie pour le QC de production parce qu'elle indique non seulement le degré de force de liaison, mais aussi les points où la liaison a échoué (R, RC, CM, ou M, détaillés dans la section sur les modes de défaillance).L'essai de pelage à 90 a fait ses preuves dans l'industrie depuis au moins les années 1980.

Comment le caoutchouc est-il lié au métal ? Le processus en 5 étapes

Chaque ligne de processus de liaison caoutchouc-métal - chaque magasin de 500 pièces par jour font l'atelier à 50 000 par semaine (les OEM de niveau 1 travaillant les supports de moteur sur la norme automobile 1TP3 T, par exemple) - passe par les cinq mêmes étapes Ce qui différencie chaque magasin est le degré de contrôle serré pour chaque étape Ces cinq étapes sont : préparation de surface métallique, revêtement d'apprêt, revêtement adhésif de couche de couverture (couche de finition), moulage avec co-durcissement, et QC destructif.

Les pannes commencent souvent à l'étape de préparation du métal L'huile de fraisage, les empreintes digitales ambiantes, le report de silicone du compresseur d'un magasin ou simplement l'oxydation ambiante d'une surface d'acier nue quelques heures après le dynamitage peuvent provoquer une rupture instantanée de liaison avant l'application de l'apprêt Un ingénieur en caoutchouc chevronné sur Eng-Tips affirme que l'externalisation de l'étape de préparation du métal à un spécialiste, avec des commandes documentées d'épaisseur de la couche d'apprêt et des contrôles de qualité par lot, a réduit son taux de défauts bien en dessous de 11TP20 T, a éliminé complètement toutes les défaillances de la couche adhésive et les limites cohérentes de la marque d'apprêt, et.

“Nous n'avons pas connu d'échec de liaison tel que vous le décrivez En sélectionnant en général la formulation d'apprêt correcte pour le substrat et le caoutchouc, les bonnes procédures dans la préparation et l'application de l'apprêt, et le développement de la pression appropriée du moule jouent tous un rôle dans le succès de l'adhésion.”

Quelle température est utilisée pour le collage caoutchouc sur métal ?

La température de durcissement varie en fonction de l'élastomère et du système adhésif. Chemlok 205/220 a lié le caoutchouc naturel et le néoprène à l'acier à faible teneur en carbone dans un moule d'injection ou de transfert est généralement durci à 145171 C (293340 F), sous pression de serrage, 10 à 20 minutes. La température de durcissement est plus élevée. Temps de cycle, mais peut entraîner un durcissement excessif du caoutchouc (résistance à la traction réduite) et un vieillissement thermique de l'adhésif. Une température de durcissement inférieure laisse le caoutchouc sous-durci et crée une variation de dureté entre les cavités, ce qui est l'un des modes de défaillance les plus faciles à négliger jusqu'ici le retour du champ.

Comparaison de trois méthodes de liaison : vulcanisée, post-durcie et mécanique

Toutes les “rubber liées aux assemblages de” métalliques n'utilisent pas la même chimie Vous trouverez trois approches dominantes, et elles ne sont pas interchangeables La sélection de l'approche incorrecte est le moyen le plus rapide de sous-spécifier une pièce qui aurait dû être conçue pour un co-durcissement, ou sur-spécifier une pièce qui aurait pu juste avoir besoin d'une simple bague d'ajustement par pression Utiliser cette matrice de comparaison de processus de moulage comme point de départ, puis recoupez avec le tableau ci-dessous.

L'essentiel de ce tableau est que seule la liaison vulcanisée fournit le mode de rupture par déchirure du caoutchouc que les utilisateurs finaux automobiles et industriels attendent. Les applications adhésives post-durcissement sont valables pour la réparation et le prototypage ; l'encapsulation mécanique est le bon choix pour les joints porteurs avec métal captif, mais aucun d'eux ne produit la liaison interfaciale chimique qui subit un million de cycles de contrainte dans des conditions NVH. Si un fournisseur propose d'adhérer un tampon en caoutchouc durci à un support métallique dans un support moteur, cette pièce va échouer sur le terrain.

Quelle est la différence entre le collage vulcanisé et post-durcissement ?

Dans le collage vulcanisé le caoutchouc non durci adhère au métal amorcé le cycle de moulage est aussi le cycle d'activation de l'adhésif Les groupes réactifs de l'apprêt se complexent avec les molécules d'élastomère réticulant au fur et à mesure de leur développement, et cela explique pourquoi la surface de rupture est du caoutchouc (le caoutchouc se déchire avant la ligne de liaison).Le collage post-durcissement implique un caoutchouc déjà entièrement réticulé et chimiquement réactif, et l'adhésif ne peut saisir que la surface extérieure du caoutchouc C'est là que les résistances au pelage diminuent d'un ordre de grandeur et que le mode de rupture passe de la déchirure du caoutchouc à la rupture de la ligne d'adhésif.

Il existe également un paradoxe d'épaisseur d'amorce moins bavard La fiche technique LORD Chemlok 205 répertorie un film sec de 0,2 à 0,4 mil. Un expert en liaison aérospatiale Rapports Eng-Tips que les amorces doivent être maintenues sous 0,0002 pouce parce que la plupart des amorces structurelles deviennent cassantes et se transforment en maillon faible au-dessus de ce seuil Le revêtement et le revêtement inférieur échouent tous deux ; la fenêtre de processus est plus étroite que ne l'admettent la plupart des spécifications.

Adhésifs de liaison caoutchouc-métal Matrice de sélection de liaison caoutchouc-métal

Demandez à n'importe quel ingénieur en caoutchouc quel adhésif utiliser et la première réponse est dominée par la réponse de la“ à LORD” qui, depuis l'acquisition par Parker Hannifin, signifie Adhésifs vulcanisants Parker LORD Chemlok. La famille Chemlok est de facto la norme de classe mondiale de l'industrie depuis que LORD Corporation l'a commercialisée dans les années 1950, et même les concurrents qui excellent dans la liaison caoutchouc-métal spécifieront Chemlok sur leurs propres lignes Les familles Thixon et Rohm & Haas de Henkel sont les alternatives crédibles pour les deux chimies spécifiques d'élastomère, mais Chemlok est le point de départ par défaut.

Le choix d'un système adhésif devient un problème à trois variables : le composé élastomère, le substrat métallique et l'environnement de service Les appariements Chemlok les plus courants sont résumés dans le tableau ci-dessous. Faites correspondre ceux-ci avec les vôtres sélecteur de composé élastomère caoutchouc pour finaliser la nuance de caoutchouc avant de s'engager sur un adhésif.

“La liaison de 1TP9 T au métal a toujours été un problème Vous devez vraiment contacter LORD pour un adhésif spécialisé ou des paramètres de processus pour contrôler çà standard Chemlok n'est pas un cas où une pile Chemlok résout le problème par elle-même.”

Ce consensus de forum porte l'absorption : en particulier le 1TP9 T durci au peroxyde peut être l'élastomère le plus susceptible de surprendre même un ingénieur chevronné Le 1TP9 T durci au soufre se lie décemment avec un empilement amorce-couche standard, mais le 1TP9 T durci au peroxyde ne possède aucun site de réticulation au soufre pour la poignée adhésive, et entraîne un mode de rupture du caoutchouc ciment (RC) au test de résistance au pelage Lorsque les spécifications nécessitent du 1TP9 T à haute température, diagnostiquez quel système de durcissement le mélangeur en caoutchouc a développé avant de déposer sur une procédure de collage.

L'E6000 liera-t-il le caoutchouc au métal ?

E6000 est un adhésif de contact conçu pour être utilisé dans l'artisanat et les réparations grand public Il maintiendra un tampon en caoutchouc sur un support métallique dans des conditions statiques pendant une courte période, mais il ne s'agit en aucun cas d'une solution de résistance au pelage de speciens caoutchouc-métal liés avec E6000 est un ordre de grandeur en dessous des systèmes Chemlok de qualité automobile, la ligne de liaison n'est pas résistante à l'huile ou au cyclage thermique, et l'adhésif ramollit sous une charge statique soutenue supérieure à environ 60 C. Pour toute pièce liée caoutchouc à métal qui peut rencontrer un cisaillement dynamique, un cyclage thermique ou un fluide en fonctionnement, les adhésifs de qualité grand public sont le mauvais outil à utiliser Utiliser des systèmes d'apprêt de qualité vulcanisation et de métal et de recouvrement.

Cinq modes d'échec courants et comment les diagnostiquer

Tous les défauts de liaison semblent à l'œil nu être le même problème : une pièce en caoutchouc tombe d'un insert métallique. 1TP8 T D429 La méthode B donne à l'ingénieur plasticien les mots pour décrire ce qui s'est exactement passé lorsque les 4 surfaces de défaillance sont révélées : R signifie déchirure du caoutchouc (vert), RC signifie défaillance entre le caoutchouc et la couche de couverture (jaune), CM signifie défaillance entre la couche de couverture et le métal (orange), et M signifie que l'amorce se nettoie de la surface métallique (rouge).Cette lettre indique où dans le processus de fabrication regarder en premier. Voici les cinq modes de défaillance qui donnent la grande majorité des retours sur le terrain : résumés de Schilthorn Precision analyse publiée en mode de défaillance et des professionnels sur le forum Eng-Tips en ingénierie du caoutchouc.

1. Les défaillances CM de la surface métallique transportant des contaminants pétroliers C'est le classique Les symptômes incluent des frottis d'huile “” sur la face défaillante, des dépôts inégaux d'amorces, des échecs de test de rupture d'eau (repousse l'eau au lieu de coller à la surface métallique nettoyée) et des empreintes digitales ou des contours des doigts. Les causes vont du transfert de silicone hors d'un compresseur d'air d'atelier à la contamination des empreintes digitales, à la formation d'oxydes en raison de la fenêtre de souffle à prime étant trop longue. L'action corrective est disciplinée processus : méthodes de dégraissage validées, fenêtre d'amorçage définie de souffle à prime, manipulation des gants de coton et d'application de la surface de la surface de la surface de l'eau 2.

2. Les échecs RC de l'amorce ou de la couche de couverture variation de l'épaisseur C'est le paradoxe de l'amorce du dernier paragraphe “punis” l'atelier à la fois pour l'excès et le déficit de l'amorce adhérence promoteur Si l'amorce est trop mince, des trous d'épingle se développent, à travers lesquels le caoutchouc s'écoule pendant le moulage, créant des zones faibles locales Trop épais, il devient cassant une fois durci, et des fissures dans le temps à la charge de pelage Les symptômes incluent une séparation nette de la face adhésive après les tests de déchirure du caoutchouc, et visible “ pattern stre” striaking sur la face défaillante Les contre-mesures sont de calibrer l'équipement de pulvérisation périodiquement, surveiller la teneur en amorce et de surface destructive d'épaisseur de l'am.

3. déséquilibre sous-durcissement/durcissement : plus courant que vous ne le pensez. Généralement, un besoin de réexécuter le processus avec des températures plus élevées et des temps de cycle plus longs ne sera jamais remarqué dans les moyennes de qualité. Cela peut prendre 3 à 6 mois de contrainte sur le terrain avant le vieillissement thermique et les pièces testées en fatigue commencent à montrer une résistance à la traction et des lignes de liaison perdues avant la rupture. Les causes se résument généralement à une dérive de température du plateau, à une réduction du temps de cycle sans revalidation ou à des gradients thermiques dans les moules multi-cavités permettant à certaines cavités de se sous-durcir tandis que d'autres cavités sont des tests de rhéomètre pour établir le meilleur profil de durcissement pour l'élastomère formulé, cartographie thermique de la presse, des tests de vieillissement accélérés avant la mise en œuvre.

4. mésappariement des composés peroxyde-EPDM. Ce mode de défaillance est suffisamment spécifique pour que de nombreux magasins de produits d'apprêt au peroxyde ne le voient qu'une fois et qu'ils le font, il peut coûter des séries entières de pré-production Le EPDM durci au peroxyde a une chimie de surface différente de celle du caoutchouc durci au soufre, et les amorces Chemlok conventionnelles ne se lient souvent pas du tout. Le peroxyde-EPDM a besoin d'un système compatible avec le peroxyde. Ce qui résulte est une défaillance RC avec une ligne de pelage en caoutchouc typiquement propre. Ne présumez jamais qu'un changement de composé de caoutchouc est neutre en termes de liaison : exécutez toujours un lot de vérification ASTM D429 en premier.

5. Défaillance de l'évent de moulage due aux empilements de tolérance. Celui-ci surprend même les ingénieurs expérimentés post de suivi dans le fil Eng-Tips décrit un cas où la pile de tolérance dimensionnelle créait un joint involontaire le long d'un bord de la cavité du moule, empêchant une purge d'air appropriée pendant le cycle de serrage L'air piégé à l'interface a ensuite produit des vides localisés et un bord de liaison faible un mode de défaillance qui ressemble à une contamination mais qui est en fait un problème de conception de fixation L'action corrective est la vérification CMM de la planéité et de la concentricité des inserts, la simulation du débit pendant la conception du moule et la surveillance de la pression dans la cavité en production C'est pourquoi les fournisseurs de caoutchoucs prennent au sérieux la tolérance des inserts ; ce n'est pas seulement un problème d'ajustement et de finition.

Où les obligations caoutchouc-métal sont utilisées, industries et types de pièces

Les pièces en caoutchouc collées apparaissent partout où les vibrations doivent être amorties et la charge transférée de manière fiable à des températures extrêmes, parfois pendant des décennies à la fois. Notre courte liste industrielle couvre l'automobile, le transport ferroviaire, les machines industrielles, l'aérospatiale et les dispositifs médicaux. Ce qui diffère en réalité, c'est la façon dont les contraintes de conception évoluent entre ces marchés et comment le choix entre le caoutchouc nitrile, le EPDM ou le FKM est déterminé par l'environnement fluide et thermique spécifique imposé par chaque application.

• Automobile. : supports de moteur, supports de transmission, supports de cabine, bagues de suspension, bagues de barre anti-roulis, supports de crémaillère de direction La spécification dominante est 1TP3 T et l'objectif dominant de résistance au pelage est de 6 kN/m au niveau du luminaire 1TP8 T D429.
• Transport ferroviaire et de masse : bagues de suspension primaires et secondaires, coussinets antivibrations sous le matériel roulant, supports de moteur de traction. Une durée de vie plus longue (plus de 20 ans) conduit à des sections plus lourdes et à des polymères de base résistants à l'oxydation.
• Machines industrielles : supports de compresseur, isolateurs de pompe, isolateurs montés sur presse, patins de machines. Sélection du duromètre cela dépend du calcul de fréquence par rapport à la fréquence naturelle dans cette application. Le caoutchouc souple perturbateur est la mauvaise réponse si la fréquence de fonctionnement se rapproche de la fréquence naturelle de la monture.
• Aérospatiale et défense : isolateurs de vibrations pour l'avionique, amortisseurs de trains d'atterrissage, supports de pylônes de moteur Contrôle plus précis de l'épaisseur de l'amorce (la règle aérospatiale < 0,0002 « ) et essais de qualification plus poussés.
• Applications dans les dispositifs médicaux : arbre collé pour diaphragme de pompe, isolateur silicone-métal pour engrenages compatibles IRM, composants de pompe de contact médico-alimentaire. La qualification FDA/LFGB/NSF à FDA/LFGB/NSF ajoute un processus de sélection au-delà de la chimie du processus de liaison.

Alors que de nombreux ingénieurs de montage de moteur sont friands d'applications NVH, ils sont souvent les premiers à ne pas penser à un aspect fondamental d'entre eux : si vous pouvez modifier la fréquence naturelle d'une monture de 5 Hz, elle peut être modifiée d'un facteur 2 de l'intérieur avec seulement le duromètre en caoutchouc, la section transversale collée, et la rigidité de l'insert métallique la partie statique de la conception Bondline doit exister à l'intérieur de trois chemins de charge : lorsque le caoutchouc s'étire et se resserre, l'insert métallique repousse, et la couche d'amorce transfère le cisaillement à l'interface N'importe lequel de ces trois sera soit un support hautement transmissif (sivant, et donc moins transmissif), soit un mode de liaison avec rupture de caoutchouc.

Comment choisir une méthode de liaison caoutchouc-métal : un cadre décisionnel

Il n'y a pas de réponse correcte unique pour les“quelle méthode de collage dois-je utiliser ?” car il s'agit en fait de trois questions en une : substrat, élastomère, environnement Ces trois axes modèle de décision ci-dessous réduit la plupart des problèmes de spécification à un point de départ pratique Faites correspondre cela avec le comparaison des propriétés des élastomères avant de décider quelle qualité de caoutchouc utiliser.

Avant de publier une spécification, passez à travers une liste de contrôle pré-liaison de cinq éléments : (1) établissez un objectif mesurable de résistance au pelage 1TP8 T D429 Méthode B, et non un bon débit de liaison avec les coordonnées ; (2) établir l'enveloppe complète de température de service, y compris les transitoires de démarrage et d'arrêt ; (3) spécifier l'alliage et la finition du substrat (rugosité de surface Ra, et non les bornes polies) ; (4) sceller le composé élastomère et le système de durcissement avec le fournisseur ; et (5) vérifier que le système adhésif sélectionné est sans plomb (220 LF ou équivalent) si REACH, RoHS ou l'OEM dicte une norme, chaque entrée, chaque essai doit être fixé.

Foire aux questions

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