金剛石涂附磨具用樹脂結合劑的性能評價探討＊

寧春旭,肖樂銀,2,,王進保,2,劉志環,2,劉心宇

(1.桂林礦產地質研究院,廣西桂林 541004;2.國家特種礦物材料工程技術研究中心,廣西桂林 541004;3.桂林電子科技大學,廣西桂林 541004)

0 引言

金剛石涂附磨具是指用樹脂結合劑把金剛石磨料粘附在柔性、可撓曲基材上的金剛石工具,主要用于石材、玻璃、玉石、硬質合金等硬脆難加工材料的異形磨削和拋光。和砂輪磨削不同,金剛石涂附磨具的柔性接觸可以減少磨削震動,得到好的工件表面質量。但由于普通樹脂結合劑本身的耐磨性差及對磨料的包鑲力弱,導致涂附磨具磨損的主要形式為磨料的脫落,從而降低了金剛石涂附磨具的使用壽命。因此,結合劑的性能是影響金剛石涂附磨具使用性能的一個重要因素[1～4]。

本文首先討論了金剛石涂附磨具結合劑的評價指標如何制定,然后通過相應指標的測定,評價了金剛石涂附磨具結合劑的改性效果,最后通過磨削試驗,進一步證實評價指標的可行性。

1 性能評價指標的制定

制作成品進行磨削試驗是檢測結合劑性能好壞的一個直接方法,但需耗費大量的人力和時間。根據金剛石涂附磨具的使用要求,我們知道結合劑必須具有良好的柔韌性、耐熱性、耐磨性以及對金剛石一定的包鑲能力。

按照國家標準和膠粘劑常用性能測試分析方法,我們探討通過測試其斷裂延伸率和沖擊強度來評價結合劑的柔韌性,通過熱重分析來評定其耐熱性,通過結合劑的耐磨性試驗和沖擊強度下降率來判斷其耐磨性和對金剛石的包鑲強度,綜合室內磨削試驗證明了上述各項指標可對金剛石涂附磨具用結合劑進行性能評價。

本試驗按照GB/T2568-1995《樹脂澆鑄體拉伸性能試驗方法》、GB/T2571-1995《樹脂澆鑄體沖擊試驗方法》和GB/T17657《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》標準進行。其中,用于拉伸試驗和沖擊試驗的空白體各做5個樣品,磨損試驗各做一個樣品,添加金剛石沖擊試樣各做5個樣品。

用于性能檢測的試樣圖如圖1所示:

圖1 性能檢測試樣圖Fig.1 The samp les fo r performance testing

具體方法如下:

(1)通過測試拉伸試樣的斷裂伸長率和沖擊試樣的沖擊強度來評價其柔韌性。其中,拉伸試驗速度取5mm/min。

斷裂伸長率按下式計算:

式中:A—斷裂伸長率,%;L—斷裂后試樣的長度,mm;L0—斷裂前試樣的長度,mm。

(2)通過熱重分析(TG)可以分析高分子材料的熱穩定性。以失重10%時的溫度作為樹脂的耐熱性溫度,對比NM-1結合劑和增韌改性后NM-2結合劑的耐熱性。

(3)金剛石涂附磨具的壽命不僅取決于結合劑本身的耐磨性,還取決于結合劑對磨料的把持力,通過磨損試驗及試樣斷口形貌觀察和添加金剛石前后試樣沖擊強度的減少量來綜合評定結合劑的性能。

耐磨系數計算公式:

據表1所示，從調查覆蓋的地理區域來說，本調查所收集到的招聘信息涵蓋了全國大部分省（直轄市、自治區），獲得的招聘信息是比較充分的。

式中:η—結合劑耐磨系數;m1—磨損前試樣質量,g;m2—磨損后試樣質量,g。

沖擊強度下降率的計算公式:

式中:Tσ—沖擊強度下降率,%;σ空—空白試樣沖擊強度,kJ/m2;σ金—含金剛石試樣沖擊強度,kJ/m2。

2 金剛石涂附磨具用環氧樹脂膠粘劑的改性

NM-1結合劑(1號結合劑)是目前我們所用的可用于涂附磨具的熱固性樹脂,它成型后具有結合強度高、收縮率小、耐介質性能優良等優點。但NM-1結合劑固化產物是較高的交聯密度的三向網狀結構體,主鏈的運動非常困難,存在內應力大的缺點,所以一般都硬度高、耐磨性好,但比較脆,柔韌性、耐沖擊性能差。

通過聚氨酯改性后的NM-2結合劑(2號結合劑),固化后形成了互穿網絡結構,網絡中的柔性聚氨酯鏈段起到了進一步增加柔韌性的目的。在材料受到沖擊時,分散軟段聚集體能夠吸收沖擊能量阻止微裂紋擴展,提高其韌性[5～6]。同時由于混合后黏度低,對磨料潤濕性好,且不需添加稀釋劑,可以對金剛石具有更好的把持力。因此,我們分別制作樣品采用上述評價指標,對其性能進行評價。

3 改性結果及評價分析

3.1 柔韌性評價

金剛石涂附磨具主要用于硬脆難加工材料的異形研磨和拋光,因此對其柔韌性提出了特殊要求,而結合劑的柔韌性是影響涂附磨具柔韌性的一個重要因素。

NM-1結合劑和聚氨脂改性后NM-2結合劑空白試樣斷裂伸長率及沖擊強度如表1所示:

表1 試樣斷裂伸長率和沖擊強度Table 1 Fracture elongation and impact strength of samples

拉伸試驗曲線如圖2所示:

圖2 兩種樹脂結合劑拉伸試驗曲線Fig.2 Curves of tensile testing for two kinds of resin bond

從表1可知,通過聚氨脂改性后的NM-2樹脂具有比NM-1樹脂更大的斷裂伸長率和沖擊強度,從而表現出更好的柔韌性,有利于各種異形工件的磨削和拋光。同時,從圖2我們也可以看出,拉伸過程中NM-1樹脂結合劑的最大拉伸載荷為1630.94N,聚氨脂改性后的NM-2結合劑為1850.56N,表現出更好的機械力學性能。

3.2 耐熱性評價

圖3 兩種樹脂結合劑TG曲線Fig.3 TG curves fo r two kinds of resin bond

圖3為NM-1和NM-2兩種樹脂結合劑的熱重曲線。熱重分析顯示,失重10%時NM-1結合劑對應溫度為364.6℃、聚氨脂改性后的NM-2樹脂結合劑為375.8℃,表明改性樹脂具有略優于NM-1樹脂的熱穩定性和耐熱性,能夠有效防止涂附磨具在磨削過程中由于溫度的上升而導致金剛石的過早脫落[7～8]。

3.3 耐磨性及對磨料包鑲能力評價

表2 耐磨系數測試結果Table 2 The testing results of wear coefficient

表3 沖擊強度下降量Table 3 The decreasing value of impact strength

圖4 兩種樹脂結合劑斷口形貌圖Fig.4 Fracture morphology of two kinds of resin bond

表2、表3分別為兩種結合劑耐磨系數測試結果和添加金剛石后試樣沖擊強度減少量。由表2可知,聚氨脂改性后的NM-2結合劑的耐磨系數0.46略小于NM-1樹脂0.48,這說明固化后NM-2樹脂結合劑本身的耐磨性稍差于NM-1樹脂,但金剛石涂附磨具的壽命不僅取決于結合劑本身的耐磨性,還取決于結合劑對磨料的把持力,從表3可以看出,含同樣金剛石的試樣塊,其沖擊強度的下降率NM-1樹脂更為明顯,說明NM-2樹脂結合劑對金剛石的把持力更強。從SEM照片(圖4)來看,NM-1樹脂結合劑與金剛石磨料結合緊密程度比NM-2結合劑稍差。

4 膠粘劑評價結果與磨削性能的對應性

為了更好地驗證結合劑性能的好壞及評價指標的可行性,我們分別制作兩種結合劑的600目磨具成品,固化溫度與時間都為:120℃,3h。采用CM 6125車床改裝設備對玻璃進行磨削試驗,工件尺寸:40mm×15mm×8mm,磨具轉速為1600 r/min,使用水作為冷卻液,采用恒進給的磨削方式,測試磨具的磨耗比、磨削效率,并觀察磨具表面開裂情況。如表4所示:

表4 磨具磨削玻璃結果Table 4 The results of grinding glass with grinding w heel

由表4可知,2號結合劑磨具的柔韌性有明顯提高,磨具磨削10小時后表面仍未見明顯裂紋,1號結合劑磨具磨削5小時后表面可見明顯裂紋,這與通過測試斷裂延伸率與沖擊強度得出的結論是一致的。同時,2號結合劑磨具的壽命亦大于1號結合劑磨具,其磨耗比分別為76.4和70.2,表明在耐熱性、耐磨性及對金剛石的把持力等綜合性能方面,NM-2樹脂結合劑優于NM-1結合劑,這與上述分析也是相對應的。NM-1結合劑對金剛石的把持力差,金剛石脫落較多、自銳性好,其磨削效率1.65略高于改性后的樹脂結合劑1.58。

由上述結果可知:樹脂結合劑的柔韌性、耐熱性、耐磨性及包鑲性能等指標與磨具磨削試驗結果具有很好的對應性。結合劑柔韌性好,磨具成品工作面不易產生裂紋,耐磨、耐熱性及包鑲性能好,磨具磨耗比高;磨削效率的表征主要與金剛石參數有較大關系,結合劑的力學性能對其影響不大。總之,通過對樹脂結合劑的力學性能指標的檢測和計算,可以間接反映成品磨削性能,減少試驗成本、提高工作效率。

5 結論

(1)根據金剛石涂附磨具的使用環境和特性,對其所用膠粘劑提出了柔韌性、耐熱性、耐磨性好及對金剛石的把持力強等評價指標。綜合室內磨削試驗證明了通過斷裂延伸率、沖擊強度、熱重(TG)、耐磨性、斷口掃描電鏡等力學性能檢測和分析,可對金剛石涂附磨具用樹脂結合劑進行柔韌性、耐熱性、耐磨性及對金剛石的把持力等性能進行評價。

(2)通過聚氨酯改性后的NM-2結合劑,固化后形成了互穿網絡結構。因此,與NM-1結合劑相比具有更好的柔韌性,同時由于混合后黏度低,對磨料潤濕性和把持力好,添加金剛石后試樣沖擊強度減少量為60.9%,低于環氧樹脂63.2%,表現出更好的綜合性能。

(3)在磨削使用之前即對結合劑地綜合性能進行評價,可以有效的指導金剛石涂附磨具生產和結合劑的調配。

[1] 呂智,鄭超,莫時雄,章兼植.超硬材料工具設計與制造[M].北京:冶金工業出版社,2010.

[2] 肖樂銀,劉志環,謝志剛,程煜.金剛石柔性磨輪磨削性能的實驗研究[J].超硬材料工程,2009(2):28-41.

[3] 呂智,鄭超.超硬材料涂附磨具[J].超硬材料工程,2008(2):33-34.

[4] 鄒文俊.涂附磨具制造[M].北京:中國標準出版社,2000.

[5] 謝海安,王偉.聚氨酯改性環氧樹脂的研究[J].應用化工,2007(8):779-781.

[6] 韋春.聚氨酯改性環氧樹脂[J].工程塑料應用,1999(3):1-2.

[7] 張向宇.膠黏劑分析與測試技術[M].北京:化學工業出版社,2004.

[8] 彭進.超硬材料樹脂磨具高溫結合劑的研究[D].鄭州:鄭州工業高等專科學校,2003.