底盘衬套钢套与橡胶硫化结合工艺优化研究

底盘衬套钢套与橡胶硫化结合工艺优化研究

摘要：底盘衬套是汽车底盘系统的核心缓冲减振零部件，由钢套与橡胶通过硫化工艺复合而成，其结合强度直接决定衬套的承载能力、减振效果及服役寿命。当前钢套与橡胶硫化结合过程中，普遍存在结合界面剥离、粘接强度不足、橡胶硫化不均、钢套变形等问题，严重影响底盘衬套的使用性能和可靠性。本文结合底盘衬套钢套与橡胶的材料特性及服役要求，分析传统硫化结合工艺的核心流程与现存缺陷，重点研究表面处理、硫化工艺参数、胶料配方三大关键优化方向，通过试验设计确定最优工艺方案，解决硫化结合过程中的核心痛点，提升钢套与橡胶的结合强度及衬套整体性能，为底盘衬套的高效、高质量生产提供理论依据与工程实践指导。

关键词：底盘衬套；钢套；橡胶；硫化结合；工艺优化；结合强度

一、引言

底盘衬套作为汽车底盘悬挂、转向系统的关键连接部件，主要功能是传递载荷、缓冲路面冲击、衰减振动，同时实现部件间的柔性导向，其性能直接影响汽车行驶的平稳性、舒适性及操控安全性。底盘衬套的核心结构为“钢套-橡胶”复合体系，钢套提供刚性支撑，橡胶提供弹性缓冲，二者需通过硫化工艺实现牢固结合，确保在长期交变载荷、高低温环境及摩擦作用下不发生界面剥离、松动或损坏。

目前，底盘衬套钢套与橡胶的硫化结合工艺多采用传统模压硫化方式，但受钢套表面处理不规范、硫化参数匹配度低、胶料配方不合理等因素影响，部分衬套产品存在结合强度不足（低于3.5MPa）、橡胶硫化欠硫或过硫、钢套受热变形、界面出现气泡等缺陷，导致衬套在服役过程中易出现早期失效，增加汽车底盘维护成本，甚至引发安全隐患。随着汽车产业向轻量化、高性能、长寿命方向发展，对底盘衬套的结合可靠性提出了更高要求，因此，开展钢套与橡胶硫化结合工艺优化研究，解决传统工艺痛点，提升复合界面结合质量，具有重要的工程应用价值和现实意义。本文聚焦底盘衬套钢套与橡胶硫化结合工艺，系统分析工艺影响因素，提出优化方案并通过试验验证，为工艺升级提供支撑。

二、底盘衬套钢套与橡胶硫化结合工艺基础 2.1 核心材料特性

底盘衬套钢套多选用低碳钢或低合金钢（如10钢、20钢），此类材料塑性好、易加工，表面易进行改性处理，可与橡胶形成有效粘接，同时具备足够的刚性和强度，能够承受衬套服役过程中的交变载荷。橡胶材料多选用丁腈橡胶（NBR）、氯丁橡胶（CR）或天然橡胶（NR），其中丁腈橡胶因耐油、耐老化、弹性优异，且与钢套的粘接兼容性好，被广泛应用于底盘衬套生产，其邵氏硬度通常控制在55-70HA，满足缓冲减振与承载需求。

钢套与橡胶的结合本质是通过硫化反应，使橡胶分子链发生交联，同时与钢套表面形成化学粘接和物理吸附，因此，材料特性需满足：钢套表面需具备良好的活性，便于与橡胶发生化学反应；橡胶胶料需具备合适的硫化活性，交联密度均匀，且与钢套的热膨胀系数匹配，减少硫化过程中因热应力产生的界面缺陷。

2.2 传统硫化结合工艺流程

底盘衬套钢套与橡胶传统硫化结合工艺主要包括钢套预处理、胶料制备、模压硫化、后处理四个核心步骤，具体如下：一是钢套预处理，依次进行脱脂、酸洗除锈、磷化处理，去除钢套表面的油污、氧化皮，在表面形成一层粗糙的磷化膜，增强与橡胶的物理吸附能力；二是胶料制备，将橡胶原料与硫化剂、促进剂、补强剂、软化剂等辅料按比例混合，通过开炼机或密炼机混炼均匀，制成符合要求的胶料坯料；三是模压硫化，将预处理后的钢套放入硫化模具内，填入胶料坯料，闭合模具后送入硫化机，在设定的温度、压力、时间条件下进行硫化反应，使橡胶交联并与钢套结合；四是后处理，硫化完成后开启模具，取出衬套成品，去除飞边、毛刺，对衬套进行外观检验、结合强度检测，筛选不合格产品。

传统工艺的核心痛点的在于：钢套表面预处理不够彻底，磷化膜附着力差；硫化温度、压力、时间参数匹配不合理，导致橡胶硫化不均；胶料配方中硫化体系、粘接体系配比不当，影响界面结合强度；硫化过程中模具排气不畅，界面易产生气泡，进而导致结合失效。

三、钢套与橡胶硫化结合工艺现存问题及成因分析

通过对某企业底盘衬套生产现场的调研及成品检测，发现传统硫化结合工艺存在的核心问题及成因主要集中在四个方面，直接影响衬套产品质量和服役寿命。

一是结合界面剥离，这是最常见的缺陷，占不合格产品的60%以上。主要成因包括：钢套表面脱脂、除锈不彻底，残留油污或氧化皮阻碍橡胶与钢套的粘接；磷化处理工艺参数不合理，磷化膜厚度不均、附着力差，易在硫化过程中脱落；未采用专用粘接剂，仅依靠物理吸附实现结合，粘接强度不足，无法承受长期交变载荷。

二是橡胶硫化质量不佳，表现为欠硫或过硫。欠硫时橡胶交联密度不足，硬度低、弹性差，与钢套的结合强度低；过硫时橡胶分子链过度交联，变脆、易开裂，同时会导致钢套表面氧化，进一步降低结合可靠性。成因主要是硫化温度、压力、时间参数设定不合理，未根据胶料特性和钢套尺寸进行匹配，且硫化机温度分布不均，导致模具各区域硫化程度不一致。

三是钢套受热变形，表现为钢套内径、外径尺寸偏差增大（超过±0.03mm），圆度超差，影响衬套的装配精度。成因是钢套预处理过程中内应力未消除，硫化温度过高（超过180℃），且降温速度过快，导致钢套受热不均，产生热应力并发生变形。

四是界面气泡缺陷，气泡会破坏钢套与橡胶的连续结合面，降低结合强度，同时在交变载荷作用下，气泡易扩展导致界面剥离。成因主要是胶料混炼过程中混入空气，且未进行排气处理；硫化模具排气通道设计不合理，硫化初期产生的挥发物无法及时排出；胶料中软化剂、硫化剂等辅料挥发量过大。

四、底盘衬套钢套与橡胶硫化结合工艺优化方案

针对传统工艺存在的问题，结合材料特性和生产实际，从钢套表面处理、硫化工艺参数、胶料配方、模具结构四个方面提出优化方案，实现硫化结合工艺的升级，提升衬套产品质量。

4.1 钢套表面处理工艺优化

表面处理是提升钢套与橡胶结合强度的基础，优化重点在于增强钢套表面活性和粗糙度，确保粘接可靠性，具体优化措施如下：一是优化预处理流程，将传统“脱脂-酸洗-磷化”三步法改为“脱脂-水洗-酸洗-中和-水洗-磷化-烘干-底涂粘接剂”七步法，彻底去除钢套表面的油污、氧化皮和杂质，避免残留污染物影响粘接；二是优化磷化工艺参数，将磷化温度控制在50-60℃，磷化时间10-15min，调整磷化液浓度，使磷化膜厚度控制在5-8μm，确保磷化膜均匀、致密、附着力强，同时增加钢套表面粗糙度（Ra=1.6-3.2μm），提升物理吸附能力；三是增加底涂粘接剂工序，选用橡胶与金属专用底涂剂（如Chemlok 205），均匀涂抹在钢套表面，烘干温度80-100℃，烘干时间15-20min，通过粘接剂的化学作用，实现钢套与橡胶的牢固结合，大幅提升界面粘接强度。

4.2 硫化工艺参数优化

硫化温度、压力、时间是影响硫化质量和结合强度的关键参数，采用单因素试验法，以丁腈橡胶和20钢钢套为试验对象，研究各参数对结合强度的影响，确定最优参数组合：一是硫化温度，控制在160-170℃，避免温度过高导致钢套变形和橡胶过硫，温度过低导致欠硫；二是硫化压力，根据衬套尺寸调整为10-15MPa，确保胶料均匀填充模具，与钢套紧密贴合，同时促进橡胶交联反应，减少界面气泡；三是硫化时间，控制在15-20min，结合胶料厚度和硫化温度合理匹配，确保橡胶交联充分，同时避免过长时间硫化导致橡胶老化、钢套氧化；四是优化降温工艺，硫化完成后采用梯度降温方式，先将温度降至100℃，保温10min，再自然冷却至室温，消除钢套热应力，防止变形。

4.3 胶料配方优化

胶料配方的优化重点在于提升橡胶的硫化活性、与钢套的粘接兼容性，减少硫化过程中的挥发物，具体优化措施：一是调整硫化体系，选用半有效硫化体系，将硫化剂（硫磺）用量控制在1.5-2.0份，促进剂（CZ与DM并用）用量控制在2.0-2.5份，提升橡胶交联密度的均匀性，避免欠硫或过硫；二是添加粘接促进剂，在胶料中加入1.0-1.5份的间苯二酚甲醛树脂（RF树脂），增强橡胶与钢套表面的化学粘接能力，进一步提升结合强度；三是优化辅料配比，减少挥发性软化剂的用量，选用石蜡油作为软化剂，用量控制在5-8份，同时增加补强剂（炭黑N330）用量至30-35份，提升橡胶的强度和耐磨性，减少硫化过程中气泡的产生。

4.4 硫化模具结构优化

针对模具排气不畅导致的界面气泡问题，对硫化模具结构进行优化：一是在模具型腔的边角、胶料流动末端设置多个排气通道，通道直径控制在0.5-1.0mm，确保硫化初期胶料中的空气和挥发物能够及时排出；二是优化模具进料口结构，采用分流式进料口，使胶料均匀填充模具型腔，避免局部胶料堆积导致排气不畅；三是在模具与钢套接触的表面进行抛光处理（Ra≤0.8μm），减少钢套与模具之间的摩擦，防止钢套表面划伤，同时便于硫化完成后衬套的脱模，避免脱模过程中界面受损。

五、优化工艺试验验证与效果分析

为验证优化方案的有效性，以某型号底盘衬套（钢套材质20钢，内径30mm，外径36mm，橡胶材质丁腈橡胶）为试验对象，分别采用传统工艺和优化工艺进行批量生产试验，每组生产1000件，对成品衬套进行外观检验、结合强度检测、尺寸精度检测及老化试验，对比分析两种工艺的生产效果。

试验结果表明，优化工艺相较于传统工艺，产品质量得到显著提升：一是结合强度大幅提高，优化后衬套的平均结合强度达到4.8MPa，较传统工艺（3.2MPa）提升50%，无界面剥离缺陷，结合可靠性显著增强；二是硫化质量达标，优化后衬套橡胶的交联密度均匀，无欠硫、过硫现象，邵氏硬度稳定在60-65HA，弹性和耐磨性符合设计要求；三是钢套尺寸精度合格，优化后钢套的尺寸偏差控制在±0.015mm以内，圆度≤0.01mm，无受热变形现象，装配精度满足要求；四是产品合格率提升，优化后衬套的成品合格率达到99.5%，较传统工艺（92.3%）提升7.2%，不合格产品主要为少量外观毛刺，无核心性能缺陷；五是服役寿命延长，通过老化试验（120℃，72h），优化后衬套的结合强度衰减率仅为8%，较传统工艺（18%）大幅降低，预计服役寿命可延长30%以上。

此外，优化工艺还降低了生产成本，成品合格率的提升减少了原材料损耗，胶料配方的优化降低了辅料用量，生产效率较传统工艺提升15%，单件生产时间缩短至25s，实现了底盘衬套的高效、高质量、低成本生产，完全满足汽车底盘的使用要求，具有较高的工程应用价值。

六、结论与展望

本文通过对底盘衬套钢套与橡胶硫化结合工艺的研究，分析了传统工艺存在的界面剥离、硫化质量不佳、钢套变形、界面气泡等问题及成因，从钢套表面处理、硫化工艺参数、胶料配方、模具结构四个方面提出了针对性的优化方案，通过试验验证得出以下结论：一是钢套表面处理中增加底涂粘接剂、优化磷化参数，可显著增强钢套与橡胶的结合能力；二是合理匹配硫化温度（160-170℃）、压力（10-15MPa）、时间（15-20min），采用梯度降温工艺，可避免橡胶硫化不均和钢套变形；三是优化胶料配方，添加粘接促进剂，可提升橡胶的硫化质量和与钢套的粘接兼容性；四是优化模具排气结构，可有效解决界面气泡问题，提升结合可靠性。

展望未来，随着汽车产业向电动化、智能化方向发展，底盘衬套将向轻量化、高性能、长寿命方向进一步升级，硫化结合工艺需持续优化完善：一是研发新型环保粘接剂和高性能橡胶材料，提升衬套的耐高低温、耐老化性能，适应新能源汽车的服役需求；二是结合有限元仿真技术，精准模拟硫化过程中的温度场、压力场分布，进一步优化工艺参数，减少试验成本；三是推动硫化工艺自动化、智能化发展，整合机器人上下料、在线检测、自动控温等技术，实现底盘衬套的全流程自动化生产，提升产品一致性；四是研究新型硫化工艺（如微波硫化、紫外硫化），缩短硫化时间，提升生产效率，推动底盘衬套制造技术的持续升级。