Kleje w mechanice

, 21 grudnia 2005, 0:00

Klejenie jest technologią łączenia różnych materiałów ze sobą i między sobą przy pomocy kleju, czyli dodatkowego materiału. W klejeniu wykorzystuje się zjawisko adhezji i kohezji kleju. Adhezja jest to przyczepność kleju do podłoża, natomiast kohezja jego wytrzymałością (Rys. 1).

 ]1[
Rys. 1

Adhezja – jest to siła łącząca dwa materiały i występująca na ich powierzchni styku. W klejeniu największe znaczenie mają siły przyciągania oraz absorpcja. Wartość tych sił międzycząsteczkowych zostaje znacznie obniżona, jeżeli klej nie penetruje dostatecznie głęboko w chropowatości powierzchni, powstałe przy mechanicznej obróbce wykończeniowej.

Kohezja – jest to siła działająca pomiędzy cząsteczkami samego kleju, utrzymująca jego spójność. Na tę siłę składają się:
– międzycząsteczkowe siły przyciągania,
– wzajemne wiązanie się cząsteczek polimerowych.

Zgodnie z zasadą, że łańcuch jest na tyle mocny, na ile mocne jest jego najsłabsze ogniwo, należy dążyć do tego, aby siły adhezji i kohezji w połączeniu klejonym były mniej więcej równe.

Klejenie i uszczelnianie mechanice

Klejenie i uszczelnianie w samochodzie jest podstawową technologią, bez której niemożliwa by była ich budowa. Klejenie stosowane jest do łączenia elementów poszycia nadwozia, do klejenia elementów z tworzyw sztucznych i do wklejania szyb samochodowych opisanych w poprzednich wydaniach.
Klejenie jest także stosowane przy montażu i naprawach silników, skrzyń biegów i układów zawieszenia, czyli w mechanice. Klejenie jest ściśle związane z uszczelnianiem, bowiem każdy klej jest uszczelniaczem, a uszczelniacz klejem. Przyjmuje się, że jeżeli wytrzymałość masy na rozrywanie, jest mniejsza niż 2 N/mm2 to mamy do czynienia z masą uszczelniającą, gdy większa – będzie to klej.

Preparaty stosowane podczas montażu elementów silnika i innych urządzeń mechanicznych w samochodzie można podzielić na trzy podstawowe grupy pod względem materiału z jakiego są wykonane:
– Preparaty anaerobowe,
– Preparaty silikonowe,
– Preparaty epoxydowe.

Preparaty anaerobowe
Nazwa tych produktów wynika z ich właściwości. Są to produkty, które utwardzają się w miejscach kontaktu z metalem i bez dostępu powietrza. Są to więc produkty stosowane w połączeniach dwóch elementów metalowych. Preparaty anaerobowe stosowane są do uszczelniania, klejenia i zabezpieczania elementów wykonanych ze stali lub aluminium. Dlatego też najczęściej stosowane są w mechanice samochodowej.

1. Do zabezpieczania śrub, nakrętek i „szpilek” przed samoodkręceniem się pod wpływem drgań i temperatury.

Przy połączeniu gwintowym czynnie pracuje tylko jedna powierzchnia zwoju gwintu. Druga strona nie jest obciążona, a pomiędzy takimi powierzchniami zwoju jest wolna przestrzeń. Właśnie przez tę wolną przestrzeń, połączenia gwintowe odkręcają się pod wpływem drgań. Najprostszym rozwiązaniem dotychczas stosowanym w takich przypadkach jest zastosowanie podkładek sprężystych, zawleczek, nakrętek blokujących itp. Jednak mechaniczne elementy zabezpieczające połączenia gwintowe przed samo rozluźnieniem się, wymagają odpowiednio dużych zapasów magazynowych w znacznym asortymencie. Poza tym nie spełniają one funkcji uszczelniających co zapobiegałoby penetracji wilgoci w głąb złącza. Nie chronią one również połączenia przed korozją. Nie zawsze istnieje też możliwość powtórnego ich zastosowania.
Najlepszym rozwiązaniem, jest zatem zastosowanie preparatu anaerobowego. Preparat do zabezpieczania połączeń gwintowych skleja powierzchnie gwintów, wypełnia wolne przestrzenie pomiędzy zwojami gwintów, uszczelnia połączenie gwintowe i zabezpiecza przed korozją. Jak również zachowuje wysoki stopień bezpieczeństwa połączenia, bez ryzyka, że połączone elementy ulegną samo rozluźnieniu.
Wielokrotne używanie tych samych elementów, nie wymaga magazynowania podkładek.

 ]2[
Rys. 2.

Preparaty anaerobowe o średniej wytrzymałości (Rys. 2) pozwalają na szybki i łatwy montaż połączenia i demontaż przy użyciu zwykłych narzędzi (w kolorze niebieskim). Stosowane są do zabezpieczania śrub koła zamachowego, nakrętek wału korbowego, korka spustu oleju, śrub gaźnika itp. Do zabezpieczenia śrub lub nakrętek, które nie muszą być odkręcane przez cały okres eksploatacji lub muszą być zabezpieczone przed odkręceniem przez osoby niepożądane, to polecam preparat o bardzo dużej wytrzymałości (Rys. 3), po zastosowaniu którego nie można odkręcić śruby lub nakrętki zwykłym kluczami (w kolorze zielonym). Dopiero po podgrzaniu do temperatury powyżej 200 stopni C, czyli temperatury wytrzymałości preparatów anaerobowych możliwe jest ich odkręcenie. Stosowane są do miejsc obciążonych dużymi wibracjami, jak śruby mocowania silnika, szpilki głowicy cylindrów i skrzyni biegów, połączenie koła napędzającego z wałkiem rozrządu. Stosowane są także do zabezpieczania śrub i wkrętów przy siedzeniach w autobusach miejskich i tramwajach przed odkręcaniem ich przez znudzonych lub zdenerwowanych pasażerów.

 ]3[
Rys. 3

Preparaty anaerobowe dają możliwość kontrolowania siły mocowania śrub, nakrętek i śrub dwustronnych.
Specjalnym rodzajem śrub są śruby regulacyjne w gaźnikach lub układach wtryskowych. Z jednej strony muszą być zabezpieczone przed poluzowaniem się, a z drugiej muszą dać się przekręcać w celu regulacji. W takich przypadkach najlepiej zastosować także preparat anaerobowy, ale umożliwiający wykręcanie lub wkręcanie śruby.

2. Do uszczelniania gwintów układów hydraulicznych i pneumatycznych

W mechanice samochodowej występują także układy hydrauliczne i pneumatyczne składające się z wielu połączeń gwintowych (układ hamulcowy, klimatyzacja, wspomaganie kierownicy).
Tradycyjne środki uszczelniające, jak podkładki, pasty i taśmy teflonowe stwarzają wiele kłopotów. Często okazują się nieszczelne dla cieczy i gazów pod dużym ciśnieniem, a ich resztki mogą zanieczyszczać, blokować i szpecić całe instalacje. Preparaty anaerobowe zapewniają natychmiastowe uszczelnienie połączeń rurowych (Rys. 4). Po całkowitym utwardzeniu wytrzymują ciśnienia równe ciśnieniu rozrywającemu rurę. Są odporne na działanie benzyny, oleju, płynu hamulcowego i chłodniczego. Nie ściekają, czyli łączone elementy mogą być uszczelniane i zabezpieczane w każdej pozycji (w kolorze żółtym). Preparaty anaerobowe nie tylko uszczelniają, ale także zabezpieczają połączenie przed korozją i przed rozluźnieniem pod wpływem drgań. Bardzo ważną zaletą tych produktów jest ustawienie montowanego elementu w pozycji dogodnej dla montera, tzn. nie jest konieczne ich dociąganie, lecz ustawienie w odpowiedniej pozycji (np. kolanko, manometr itp.) i pozostawienie do utwardzenia się uszczelniacza.
Rozróżnia się przy tym preparaty do układów niskociśnieniowych i do układów wysokociśnieniowych, szczególnie narażonych na wibracje.

]4[
Rys. 4

Stosowanie uszczelniaczy anaerobowych jest bardzo proste. Po oczyszczeniu łączonych elementów, nakłada się wstęgę preparatu na początkowe zwoje gwintu wewnętrznego lub zewnętrznego, a następnie łączy ze sobą. Wytrzymałość montażową otrzymuje się już po 15 – 30 min, natomiast wytrzymałość końcową po 12 godzinach.

3. Do mocowania tulei, łożysk, kół zębatych itp. na wałkach za pomocą klejenia.

Tradycyjne metody mocowania takie jak wkręty bez łba, wpusty, kołki, kliny i złącza pasowane są bardzo popularne, ale także kłopotliwe. Przy zastosowaniu mechanicznych metod mocowania występuje duże spiętrzenie naprężeń, prowadzące do zmęczenia materiału i jego pękania. Metody mechaniczne są także kosztowne ze względu na konieczność utrzymania ścisłych tolerancji obróbki. Kleje mocujące mogą usunąć te problemy przez wzmocnienie bądź zastąpienie istniejących metod mechanicznych.

W przypadku, gdy zastosowane kleje wspomagają tradycyjne zamocowania, wypełniają wszystkie szczeliny między stykającymi się powierzchniami, rozkładając w ten sposób naprężenia na całej łączonej powierzchni. Szczegółowe badania wykazały, że maksymalna powierzchnia styku dwóch metali w złączu pasowanym wynosi nie więcej niż 30 % powierzchni złącza, co powoduje zwiększenie naprężenia złącza. Pokrycie złącza klejem całkowicie je uszczelnia i eliminuje luz między częściami chroniąc je przed ścieraniem i korozją. Preparaty bez wypełniacza stosowane są do połączeń z luzem od 0,05 mm do 0,15 mm. Utwardzają się już po 15 minutach. Nie potrzebne są kliny, wpusty i mocne pasowania. Natomiast preparaty anaerobowe z wypełniaczem można stosować także do naprawy zużytych części, czyli do luzu max. 0,25 mm na stronę. Preparaty te wypełniają szczeliny pomiędzy zużytymi częściami, jak np. wałki, tuleje, łożyska, obudowy łożysk i tulej, wpusty i kliny.

4. Do klejenia i uszczelniania powierzchni płaskich

Preparaty anaerobowe stosuje się także do uszczelniania powierzchni metalowych łączonych ze sobą elementów.  Można tu wymienić cztery rodzaje połączeń, zależnie od wymaganych właściwości:
– połączenia elastyczne,
– lekko demontujące się,
– szybko utwardzające się,
– połączenie mocne czyli klejące.
Preparaty anaeorobowe stosowane są do uszczelniania powierzchni metalowych sztywnych, jak kołnierze metalowe, obudowy przekładni, pokrywy skrzyni biegów, w pompach wodnych, przekładniach kierowniczych, aluminiowych misek olejowych itp. Zastępują uszczelki stałe. Nie nadają się natomiast do doszczelniania uszczelek stałych lub ich naprawy. Uszczelniają także powierzchnie lekko uszkodzone (zarysowane) przez wypełnianie szczelin i rys do 0,5 mm. Są odporne na działanie większości płynów samochodowych.

Preparaty silikonowe
Do klejenia i uszczelniania połączeń elastycznych, doszczelniania uszczelek stałych lub uszczelniania elementów o małej sztywności ( miska olejowa i pokrywa zaworów wykonane z blachy ), muszą być zastosowane preparaty elastyczne, odporne na wysokie temperatury i umożliwiające utworzenie spoiny o grubości powyżej 1 mm (Rys. 5).

 ]5[
Rys. 5

Takie warunki spełniają tylko masy silikonowe. Preparaty silikonowe utwardzane są przez reakcję z wilgocią otoczenia. Rozróżnia się, ze względu na produkt uboczny, jaki powstaje podczas utwardzania wilgocią, dwa rodzaje silikonów stosowanych w mechanice samochodowej: silikony acetoksynowe i oksymowe.
Ale nie wszystkie silikony mogą być stosowane w silnikach z sondą Lambda. Zwykłe silikony (acetoksynowe) po przedostaniu się do komory spalania nie spalają się i następnie przedmuchiwane są do układu wydechowego, gdzie odkładają się na końcówce sondy Lambda, zakłócając jej działanie. Objawia się to nierównomierną pracą silnika, a wskazania komputera pokładowego sygnalizują uszkodzenia sondy. Dlatego w silnikach z sondą Lambda mogą być stosowane tylko i wyłącznie uszczelniacze silikonowe oksymowe, charakteryzujące się bezkwasowym systemem utwardzania. Są całkowicie obojętne dla wszystkich materiałów i nie powodują korozji. Mogą być stosowane do wypełniania szczelin nawet do 6 mm. Stosowane bez, jak i razem z uszczelkami stałymi.
Preparaty silikonowe oksymowe odporne są na działanie olejów, smarów i mieszanek glikolowych. Typowe zastosowania, to: systemy zasilania, pompy wodne, osłony paska rozrządu, obudowy termostatu, miski olejowej, pokrywy skrzyni przekładniowej, pokrywy przekładni głównej. Odporne do temperatury 205 stopni C, ale są także i odporne do temperatury 315 stopni C.

Preparaty epoksydowe
Preparaty epoksydowe, czyli kleje na bazie żywic epoksydowych stosuje się przede wszystkim do klejenia elementów wykonanych z metalu: stali, żeliwa, aluminium. Można też stosować do materiałów niemetalowych: drewna, twardych tworzyw sztucznych, szkła, ceramiki, betonu, kamieni i betonu.
Klej na bazie żywicy epoksydowej, przeznaczony jest do szybkiego sklejania ze sobą elementów z różnych materiałów o stabilnym kształcie. Utwardza się również w grubej warstwie i na dużej powierzchni. Utwardzona warstwa kleju może być obrabiana mechanicznie.

Wypełniacz klejący „Płynny metal” stosowany jest do wysoko wytrzymałych napraw części ze stali i odlewów żeliwnych (Rys. 6). Także do naprawy, wypełniania i klejenia brązu, mosiądzu, aluminium, Może to być naprawa otworów, rys, skorodowanych kołnierzy i przewodów rurowych. Także do usuwania błędów wiercenia i do ponownego formowania kształtów uszkodzonych części. Po utwardzeniu może być obrabiany mechanicznie. Daje się nawiercać, gwintować, opiłowywać, toczyć i frezować. Może być także lakierowany.
Materiały epoksydowe mogą być używane w zakresie temperatur od – 40 stopni C do 120 stopni C.

 ]6[
Rys. 6

Do uszczelniania łączonych ze sobą elementów metalowych, bez jak i z uszczelkami stałymi stosowane mogą być preparaty na bazie żywic o nazwie FAG, czyli Form A Gasket ( formuje się i uszczelnia). Stosowane zamiast lub dodatkowo do uszczelek stałych połączeń kołnierzowych. Zalecane do uszczelniania połączeń, które mają być często demontowane. Tworzą elastyczną, lepką i nie utwardzającą się powłokę. Są odporne na działanie benzyny, olejów, środków chłodzących. Ze względu na odporność na wysokie temperatury, do 300 stopni C, zalecane są do uszczelniania uszczelek układu ssącego, jak i wydechowego, a także do uszczelniania uszczelek pod głowicę.

Błędy klejenia

Najważniejsze błędy klejenia można ocenić wzrokowo, ponieważ można określić czy błąd dotyczy adhezji, czy kohezji, czy uszkodzeniu uległy klejone części. Nieudana adhezja – to klej może całkowicie odwarstwiać się od klejonej powierzchni. Nieudana kohezja – to klej pęka i rozwarstwia się, a resztki kleju pozostają na obu powierzchniach.
Pojawienie się błędu klejenia wskazuje tylko na słaby punkt połączenia, natomiast nic nie mówi o jego przyczynach. Aby naprawić błąd, konieczne jest ustalenie jego przyczyn.
Przyczyny te można sklasyfikować następująco:
– Brak utwardzenia / zastygania – czy płynny klej zastygł zgodnie z podanymi instrukcjami. Jeżeli nie, to jaki czynnik zahamował lub uniemożliwił ten proces: temperatura, czas, wilgotność powietrza, brak utwardzacza itp.
– Brak kleju – mimo, że wydaje się to dość oczywiste, należy sprawdzić, czy klej dotarł do wszystkich miejsc, gdzie powinien się znaleźć.
– Brak adhezji – sprawdzić, czy nie występuje zanieczyszczenie powierzchni klejonej lub czy dany materiał nie wykazuje przeciw wskazań do klejenia. Czy nie jest konieczne specjalne przygotowanie powierzchni: szlifowanie, wytrawianie, uaktywnianie, gruntowanie itp.
– Brak oczekiwanych właściwości złącza – czy został wybrany odpowiedni klej, co do wytrzymałości, twardości, elastyczności, rozszerzalności cieplnej, odporności temperaturowej itp.

Wiesław Wielgołaski
www.wielgolaski.pl

Komentarze

Brak komentarzy