耐热酚醛树脂金刚石砂轮的磨削性能研究①

叶晓川,史冬丽,曾黎明,张超,陈雷

(1.武汉理工大学材料科学与工程学院,湖北武汉430070;2.武汉泰格斯科技发展有限公司,湖北武汉430070;3.郑州磨料磨具磨削研究所,河南郑州450013)

耐热酚醛树脂金刚石砂轮的磨削性能研究①

叶晓川1,2,史冬丽3,曾黎明1,张超1,陈雷1

(1.武汉理工大学材料科学与工程学院,湖北武汉430070;2.武汉泰格斯科技发展有限公司,湖北武汉430070;3.郑州磨料磨具磨削研究所,河南郑州450013)

文章研究了耐热酚醛树脂和“2123”酚醛树脂作为金刚石砂轮结合剂的耐磨情况。磨削试验结果表明:耐热酚醛树脂粉制作的金刚石砂轮具有较好的耐磨性,所加工工件的表面质量优良。通过热性能、力学性能测试和磨削表面分析,找出了两种树脂砂轮耐磨性和磨削效率存在差异的原因,树脂耐热温度的高低、韧性直接影响砂轮的耐磨性;树脂的硬度对砂轮的磨削效率有影响。

酚醛;金刚石砂轮;磨削;耐磨性

2 实验

2.1 实验原材料

人造金刚石:型号RVD,粒度140/170

硬质合金刀具:型号YG8,株州长江硬质合金刀具有限公司

耐热酚醛树脂:武汉泰格斯科技发展有限公司

“2123”酚醛树脂:市售

2.2 仪器设备及实验过程

2.2.1 砂轮的压制使用M YS-100型热压机,按照相应的固化工艺制度压制,砂轮的后固化在电热干燥箱中进行。砂轮规格:1A 1 100×16×20×4 RVD 140/170 B 75。

2.2.2 热失重实验用德国耐驰公司NETZSCH STA 449C型号的综合热分析仪,以10K/min的升温速率分别在空气和N2氛围中测试材料的热稳定性和热分解温度,据此研究材料的结构与性能。

2.2.3 力学性能样条按1∶1的比例,在树脂中加入预先用甲酚润湿过的220#碳化硅,然后按要求放入模具,按130℃1h+140℃1h+160℃0.5h的固化制度压制固化,后固化温度为180℃2h。用KZOQ-Ⅰ型全自动抗折强度试验机,N S2000抗拉强度试验机进行力学性能测试;洛氏硬度采用山东华银HR-150A洛氏硬度机进行测试,载荷1000N。

2.2.4 磨削试验在郑州大华机电技术有限公司生产的DHM-3型磨削性能试验机上进行。砂轮转速:5000r/min;加载压力:5～10N,恒力加载;摆动频率:20次/分。

2.2.5 用XTL-3400型体式显微镜对砂轮磨削表面进行微观分析。

3 结果与讨论

3.1 耐热酚醛树脂的TG-DSC表征

图1 耐热酚醛树脂在N 2和空气气氛的TG和DSC谱图Fig.1 TG and DSC spectrum of the heat-resistant phenolic resin in N 2 and air atmosphere

图1是酚醛树脂在N2和空气气氛的综合热分析谱图。从图中可以看出,此酚醛树脂残碳率为54.6%,树脂的分解过程基本分为三个阶段。在200℃～300℃,树脂在N2中失重为2.19%,DSC曲线在235.9℃有一个微弱的吸热峰,这是树脂进一步交联固化或者羟甲基等端基脱落的失重峰,这一部分的失重是由于树脂中热解产物水和甲醇等小分子的挥发[2]。

因细菌感染引起的仔猪下痢十分常见，它包括由沙门氏菌感染引起的仔猪副伤寒，由大肠杆菌感染引起的仔猪白痢、黄痢，由C型魏氏梭菌感染引起的仔猪红痢。出现细菌性痢疾不但直接增加了药物投入、降低了饲料利用率，使养猪成本大幅度上升，而且严重影响仔猪的育成率，威胁仔猪的健康，因此，养猪生产上应密切注意搞好细菌性痢疾的防制。

300℃～600℃这一区间为主失重区间,在N2气氛下,失重35.56%,DSC曲线在465.3℃有一个较宽的吸热峰,主要是苯环之间的亚甲基桥的断裂,热解产物为酚类同系物;在空气气氛下,此区间失重高达74.12%,DSC吸热峰在393.6℃,此阶段失重表现为树脂的分解、炭化。这是因为在氧存在下,亚甲基转化为氢过氧化物,最后形成酮结构,形成的酮容易发生自由基断裂,同时两个酚环之间可经分子内脱水后烷化成氧杂蒽环,酮和醚键的分解形成大量副产物,如水、CO、CO2等。

600℃～800℃是高温脱氢成炭反应,在N2中,这一区间失重7.02%。在空气中反应仍很剧烈,DSC曲线在560.8℃的吸热峰之后又迅速的在606.7℃出现一个吸热峰,说明亚甲基的热解过程已经完成,有新的剧烈的反应产生,即:酚核在高温下被剧烈氧化成醌式结构,进而分解形成CO2、CH4、水等小分子。到了660℃以后,吸热峰很快下降并结束,说明此时反应基本完全,在空气中,最终残余量为8%。

从整个TG-DSC曲线分析可以得知,该树脂在250℃之前的热稳定性较好,树脂的耐热温度越高对提高砂轮的磨削性能越有益处[3]。

3.2 力学性能分析

图2 耐热酚醛和“2123”酚醛树脂的抗折强度Fig.2 Bending strength of heat-resistant phenolic resin and“2123”phenolic resin

树脂结合剂的强度高低决定了磨具在磨削过程中的耐磨性、生产率等方面的性能。从图2可以看出,耐热酚醛树脂的抗折强度普遍高于“2123”,平均抗折强度达到824N,说明此耐热酚醛树脂有较好的韧性,制成的砂轮会不易崩边,型面保持性较好。

由图3可以看出,耐热酚醛树脂的洛氏硬度明显低于“2123”,只有44.7HRB,略高于砂轮用树脂结合剂对硬度的要求,而“2123”酚醛树脂的硬度高达82 HRB。硬度代表砂轮抵抗外力侵入的能力,此树脂硬度较低,可能使树脂难以用于重负荷砂轮,以及砂轮要求耐磨性较好,强制修整的场合。如果要提高砂轮硬度可以调整辅料和工艺。

图3 耐热酚醛树脂和“2123”酚醛树脂的洛氏硬度Fig.3 Rock well hardness of heat-resistant phenolic resin and“2123”phenolic resin

表1 耐热酚醛树脂和“2123”酚醛树脂的抗拉强度Table 1 Tensile strength of heat-resistant phenolic resin and“2123”phenolic resin M Pa

两种树脂的抗拉强度可从表1中看出,平均值分别为39.7M Pa和39.5M Pa,说明两种酚醛树脂的粘结性能相差不多。粘结性能好,能使树脂更好地包覆金刚石,使其不易脱落。

3.3 磨削性能研究

3.3.1 磨削试验

本节对此种耐热酚醛树脂(NR)及国内使用较多的“2123”酚醛树脂的磨削性能进行了分析,进而说明此种耐热酚醛树脂的磨削能力及应用价值。研究中一般采用磨削比对磨具的磨削性能进行评估,本实验采用的磨削比为质量比值,计算公式如下:

其中,G为磨削比,Δms为砂轮磨耗质量,Δmw为硬质合金刀具磨耗质量。

磨削效率和砂轮磨除率也是考察磨具磨削性能的一个重要指标,本实验采用的是磨耗质量与磨削时间的比值[61],即:

其中,Zw为磨削效率,Zs为砂轮磨除率。表2是磨削实验结果。从磨削效率值,可以看到“2123”的磨削效率比NR略低,这可能是由于“2123”硬度较高,使得砂轮的自锐性不好,结合剂硬度高时,结合剂脱落的速度相对于金刚石的脱落速度慢;从砂轮磨除率数值,可以发现“2123”比NR高了近150%,这是由于“2123”耐热性较差,磨削区高热的温度使结合剂脱落速度很快,而且“2123”韧性较差,砂轮多处出现甭边导致大块脱落。对磨削现象的观察还发现,两种树脂磨削过程中都有糊味,但“2123”糊味很重,这说明“2123”的烧蚀情况很严重,NR体现出其耐热性较好的优越性。

在相同加载压力下,耐热酚醛砂轮的磨削比较普通酚醛树脂砂轮提高了160%左右,因为砂轮在磨削时局部高温,磨粒受力时产生的热量迅速传递给磨粒周围的树脂,普通树脂迅速老化降解,失去对磨粒的把持力。大部分磨粒的脱落使砂轮在磨削时大部分都是结合剂在挤压工件,而磨削力很弱。由于普通酚醛高的强度指标使结合剂的脱落速度慢于磨料的脱落速度,砂轮产生糊味,甚至烧伤工件。而耐热酚醛由于其较高的热稳定性。使结合剂不至于在局部高温时失去对磨料的把持能力,有更多的磨粒参与磨削。同时由于其设计硬度不高,使磨粒脱落的同时结合剂也同时脱落,保证了砂轮的锋利性,提高了砂轮的磨削效率。

表2 酚醛树脂金刚石砂轮的磨削实验数据Table 2 G rinding test of phenolic resin bond diamond grinding wheel

电流值能代表砂轮与工件的压力,从以上磨削数据中可以看出耐热酚醛的磨削比高出普通酚醛很多,电流值小,磨削阻力也小,证明砂轮又锋利又耐磨。而普通酚醛的电流值大,证明磨削阻力大,实际磨削中要增加修整次数,降低了磨削效率。

从以上可以看出,NR树脂磨削性能优良,比“2123”酚醛树脂磨削比高很多。针对此树脂的特性,NR树脂比较适合于制作要求自锐性较高的砂轮,从而减少了砂轮的修整间歇,提高了砂轮的耐用度。也可通过调整辅料配方和压制工艺,提高砂轮硬度制作耐磨性较高的砂轮。

3.3.2 砂轮磨削表面分析

以下是两种树脂砂轮磨削试验时砂轮磨过的表面,在显微镜下放大观察的照片。

图4 “2123”酚醛树脂金刚石砂轮磨削表面Fig.4 grinding surface of“2123”phenolic resin bond diamond grinding wheel

从“2123”酚醛树脂砂轮的微观表面图4(a)可以看出,树脂砂轮磨料脱落很多,表面可以看到多处烧蚀的空洞,几乎没有看到金刚石磨料。由于酚醛树脂砂轮在压制过程中,产生大量气孔,在磨削时金刚石颗粒容易出现滑移,产生的磨削热使得磨料周围的树脂炭化分解,从而导致金刚石脱落。由图4(b)还可以看到崩边现象,在砂轮边缘有成块的结合剂脱落,这会使砂轮严重磨损断裂而不能使用,这是因为“2123”树脂韧性较差,在长时间磨削过程中容易发生型面破损的现象。

从图5可以看到NR酚醛树脂砂轮磨削表面的微观情况。砂轮表面也可以明显看到磨料脱落的空洞,但没有“2123”树脂多,而金刚石保留数量较多,且结合紧密,这说明NR的耐热性要比“2123”强。NR砂轮表面也能看到一些气孔,但数量与图4(a)相比少很多,砂轮组织更致密,工件表面质量较好。由于NR树脂具有较好的耐热性和韧性,保证了磨削过程的顺利进行,烧蚀空洞较少,金刚石颗粒保持完整,没有出现崩边现象。因而NR树脂砂轮比“2123”砂轮磨削比更高,这一点也可以从磨削试验结果看到。由此可见,树脂的力学性能和耐热性是影响树脂金刚石砂轮磨削性能的重要因素。树脂的抗折强度可提高砂轮的型面保持性,增加耐磨性;耐热性好使树脂能更多的承受高温对结合剂的破坏作用,保持对磨料的粘接作用。

图5 NR酚醛树脂金刚石砂轮磨削表面Fig.5 Grinding surface of NR phenolic resin bond diamond grinding wheel

4 结论

(1)通过实验表明:耐热酚醛树脂粉是一种较为理想的金刚石砂轮结合剂,所制造的金刚石砂轮耐磨性和所加工工件的表面质量优良。

(2)TG-DSC曲线表明:耐热酚醛树脂粉在250℃之前的热稳定性较好,这对提高砂轮的磨削性能很有益处。

(3)耐热酚醛树脂有较好的韧性,较高的抗折强度能让金刚石砂轮有较好的型面保持性,提高耐磨性。

[1] 华勇,李亚萍,蒋登高.金刚石砂轮树脂结合剂的性能分析[J].金刚石与磨料磨具工程,2004,143(5):4-6.

[2] 刘涛,曾黎明,叶晓川,赵军.双马改性酚醛树脂的制备及热性能分析[J].武汉理工大学学报,2010,32(7):12-14,27.

[3] 余家国,程蓓,李克华,等.三种树脂金刚石砂轮的耐磨性与显微结构的关系[J].机械工程材料,1996,20(5):45-47.

[4] Han Huang,Ling Yun,Libo Zhou.High speed grinding of silicon nitride with resin bond diamond wheels[J].Journal of Materials Processing Technology,2003,(141):329-336.

Study on grinding performance of heat-resistant phenolic resin bond diamond grinding wheels

YE Xiao-chuan1,2,SHI Dong-li3,ZENG Li-ming1,ZHANG Chao1,CHEN Lei1
(1.School of Materials Science and Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan,Hubei 430070;2.Wuhan Tigers Technology Development Co.Ltd.,Wuhan,Hubei 430070;3.Zhengzhou Research Institute for Abrasives&grinding,Zhengzhou,Henan 450013)

The heat-resistant phenolic resin bond used for diamond grinding wheel is presented and is compared with another common used phenolic resin.grinding experiment shows that the wear resistance and work piece surface quality of the heat-resistant phenolic resin bond diamond wheel are good.Th rough the research on the thermal,mechanics and grinding properties,the causes of the differences of wear resistance of two kinds of resin bond diamond wheels are analyzed.The results show that toughness and heat resistance of the resin affect directly on thew ear resistance of the wheel,while the hardness affect the g rinding efficiency.

phenolic;diamond grinding wheel;grinding;wear resistance

TQ 164

A

1673-1433(2010)03-0011-05

1 前言

目前国内生产树脂金刚石砂轮使用最多的结合剂是各种改性的酚醛树脂和聚酰亚胺树脂,酚醛树脂作为普遍应用的树脂磨具结合剂,具有价格低廉、综合性能优越、生产工艺简单等优点[1]。国内树脂磨具中酚醛树脂牌号多为“2123”。“2123”树脂在150℃～180℃成型,具有一定的机械强度。但“2123”树脂耐热性较低,一般工作温度不能超过170℃,长期工作温度不能超过120℃,不适于大进刀,深切削加工。本文对一种耐热酚醛树脂的热性能进行了表征,对其进行了力学性能试验和磨削试验,并与“2123”树脂进行了对比,通过对砂轮的磨削面进行观察,分析了两者耐磨性差异的原因。

2010-04-22

叶晓川(1964-),毕业于武汉大学化学系有机化学专业,长期从事树脂结合剂的研究和生产开发,湖北省玻璃钢学会理事,武汉理工大学材料学院博士(在读)。