耐熱酚醛樹脂金剛石砂輪的磨削性能研究①

葉曉川,史冬麗,曾黎明,張超,陳雷

(1.武漢理工大學材料科學與工程學院,湖北武漢430070;2.武漢泰格斯科技發展有限公司,湖北武漢430070;3.鄭州磨料磨具磨削研究所,河南鄭州450013)

耐熱酚醛樹脂金剛石砂輪的磨削性能研究①

葉曉川1,2,史冬麗3,曾黎明1,張超1,陳雷1

(1.武漢理工大學材料科學與工程學院,湖北武漢430070;2.武漢泰格斯科技發展有限公司,湖北武漢430070;3.鄭州磨料磨具磨削研究所,河南鄭州450013)

文章研究了耐熱酚醛樹脂和“2123”酚醛樹脂作為金剛石砂輪結合劑的耐磨情況。磨削試驗結果表明:耐熱酚醛樹脂粉制作的金剛石砂輪具有較好的耐磨性,所加工工件的表面質量優良。通過熱性能、力學性能測試和磨削表面分析,找出了兩種樹脂砂輪耐磨性和磨削效率存在差異的原因,樹脂耐熱溫度的高低、韌性直接影響砂輪的耐磨性;樹脂的硬度對砂輪的磨削效率有影響。

酚醛;金剛石砂輪;磨削;耐磨性

2 實驗

2.1 實驗原材料

人造金剛石:型號RVD,粒度140/170

硬質合金刀具:型號YG8,株州長江硬質合金刀具有限公司

耐熱酚醛樹脂:武漢泰格斯科技發展有限公司

“2123”酚醛樹脂:市售

2.2 儀器設備及實驗過程

2.2.1 砂輪的壓制使用M YS-100型熱壓機,按照相應的固化工藝制度壓制,砂輪的后固化在電熱干燥箱中進行。砂輪規格:1A 1 100×16×20×4 RVD 140/170 B 75。

2.2.2 熱失重實驗用德國耐馳公司NETZSCH STA 449C型號的綜合熱分析儀,以10K/min的升溫速率分別在空氣和N2氛圍中測試材料的熱穩定性和熱分解溫度,據此研究材料的結構與性能。

2.2.3 力學性能樣條按1∶1的比例,在樹脂中加入預先用甲酚潤濕過的220#碳化硅,然后按要求放入模具,按130℃1h+140℃1h+160℃0.5h的固化制度壓制固化,后固化溫度為180℃2h。用KZOQ-Ⅰ型全自動抗折強度試驗機,N S2000抗拉強度試驗機進行力學性能測試;洛氏硬度采用山東華銀HR-150A洛氏硬度機進行測試,載荷1000N。

2.2.4 磨削試驗在鄭州大華機電技術有限公司生產的DHM-3型磨削性能試驗機上進行。砂輪轉速:5000r/min;加載壓力:5～10N,恒力加載;擺動頻率:20次/分。

2.2.5 用XTL-3400型體式顯微鏡對砂輪磨削表面進行微觀分析。

3 結果與討論

3.1 耐熱酚醛樹脂的TG-DSC表征

圖1 耐熱酚醛樹脂在N 2和空氣氣氛的TG和DSC譜圖Fig.1 TG and DSC spectrum of the heat-resistant phenolic resin in N 2 and air atmosphere

圖1是酚醛樹脂在N2和空氣氣氛的綜合熱分析譜圖。從圖中可以看出,此酚醛樹脂殘碳率為54.6%,樹脂的分解過程基本分為三個階段。在200℃～300℃,樹脂在N2中失重為2.19%,DSC曲線在235.9℃有一個微弱的吸熱峰,這是樹脂進一步交聯固化或者羥甲基等端基脫落的失重峰,這一部分的失重是由于樹脂中熱解產物水和甲醇等小分子的揮發[2]。

因細菌感染引起的仔豬下痢十分常見，它包括由沙門氏菌感染引起的仔豬副傷寒，由大腸桿菌感染引起的仔豬白痢、黃痢，由C型魏氏梭菌感染引起的仔豬紅痢。出現細菌性痢疾不但直接增加了藥物投入、降低了飼料利用率，使養豬成本大幅度上升，而且嚴重影響仔豬的育成率，威脅仔豬的健康，因此，養豬生產上應密切注意搞好細菌性痢疾的防制。

300℃～600℃這一區間為主失重區間,在N2氣氛下,失重35.56%,DSC曲線在465.3℃有一個較寬的吸熱峰,主要是苯環之間的亞甲基橋的斷裂,熱解產物為酚類同系物;在空氣氣氛下,此區間失重高達74.12%,DSC吸熱峰在393.6℃,此階段失重表現為樹脂的分解、炭化。這是因為在氧存在下,亞甲基轉化為氫過氧化物,最后形成酮結構,形成的酮容易發生自由基斷裂,同時兩個酚環之間可經分子內脫水后烷化成氧雜蒽環,酮和醚鍵的分解形成大量副產物,如水、CO、CO2等。

600℃～800℃是高溫脫氫成炭反應,在N2中,這一區間失重7.02%。在空氣中反應仍很劇烈,DSC曲線在560.8℃的吸熱峰之后又迅速的在606.7℃出現一個吸熱峰,說明亞甲基的熱解過程已經完成,有新的劇烈的反應產生,即:酚核在高溫下被劇烈氧化成醌式結構,進而分解形成CO2、CH4、水等小分子。到了660℃以后,吸熱峰很快下降并結束,說明此時反應基本完全,在空氣中,最終殘余量為8%。

從整個TG-DSC曲線分析可以得知,該樹脂在250℃之前的熱穩定性較好,樹脂的耐熱溫度越高對提高砂輪的磨削性能越有益處[3]。

3.2 力學性能分析

圖2 耐熱酚醛和“2123”酚醛樹脂的抗折強度Fig.2 Bending strength of heat-resistant phenolic resin and“2123”phenolic resin

樹脂結合劑的強度高低決定了磨具在磨削過程中的耐磨性、生產率等方面的性能。從圖2可以看出,耐熱酚醛樹脂的抗折強度普遍高于“2123”,平均抗折強度達到824N,說明此耐熱酚醛樹脂有較好的韌性,制成的砂輪會不易崩邊,型面保持性較好。

由圖3可以看出,耐熱酚醛樹脂的洛氏硬度明顯低于“2123”,只有44.7HRB,略高于砂輪用樹脂結合劑對硬度的要求,而“2123”酚醛樹脂的硬度高達82 HRB。硬度代表砂輪抵抗外力侵入的能力,此樹脂硬度較低,可能使樹脂難以用于重負荷砂輪,以及砂輪要求耐磨性較好,強制修整的場合。如果要提高砂輪硬度可以調整輔料和工藝。

圖3 耐熱酚醛樹脂和“2123”酚醛樹脂的洛氏硬度Fig.3 Rock well hardness of heat-resistant phenolic resin and“2123”phenolic resin

表1 耐熱酚醛樹脂和“2123”酚醛樹脂的抗拉強度Table 1 Tensile strength of heat-resistant phenolic resin and“2123”phenolic resin M Pa

兩種樹脂的抗拉強度可從表1中看出,平均值分別為39.7M Pa和39.5M Pa,說明兩種酚醛樹脂的粘結性能相差不多。粘結性能好,能使樹脂更好地包覆金剛石,使其不易脫落。

3.3 磨削性能研究

3.3.1 磨削試驗

本節對此種耐熱酚醛樹脂(NR)及國內使用較多的“2123”酚醛樹脂的磨削性能進行了分析,進而說明此種耐熱酚醛樹脂的磨削能力及應用價值。研究中一般采用磨削比對磨具的磨削性能進行評估,本實驗采用的磨削比為質量比值,計算公式如下:

其中,G為磨削比,Δms為砂輪磨耗質量,Δmw為硬質合金刀具磨耗質量。

磨削效率和砂輪磨除率也是考察磨具磨削性能的一個重要指標,本實驗采用的是磨耗質量與磨削時間的比值[61],即:

其中,Zw為磨削效率,Zs為砂輪磨除率。表2是磨削實驗結果。從磨削效率值,可以看到“2123”的磨削效率比NR略低,這可能是由于“2123”硬度較高,使得砂輪的自銳性不好,結合劑硬度高時,結合劑脫落的速度相對于金剛石的脫落速度慢;從砂輪磨除率數值,可以發現“2123”比NR高了近150%,這是由于“2123”耐熱性較差,磨削區高熱的溫度使結合劑脫落速度很快,而且“2123”韌性較差,砂輪多處出現甭邊導致大塊脫落。對磨削現象的觀察還發現,兩種樹脂磨削過程中都有糊味,但“2123”糊味很重,這說明“2123”的燒蝕情況很嚴重,NR體現出其耐熱性較好的優越性。

在相同加載壓力下,耐熱酚醛砂輪的磨削比較普通酚醛樹脂砂輪提高了160%左右,因為砂輪在磨削時局部高溫,磨粒受力時產生的熱量迅速傳遞給磨粒周圍的樹脂,普通樹脂迅速老化降解,失去對磨粒的把持力。大部分磨粒的脫落使砂輪在磨削時大部分都是結合劑在擠壓工件,而磨削力很弱。由于普通酚醛高的強度指標使結合劑的脫落速度慢于磨料的脫落速度,砂輪產生糊味,甚至燒傷工件。而耐熱酚醛由于其較高的熱穩定性。使結合劑不至于在局部高溫時失去對磨料的把持能力,有更多的磨粒參與磨削。同時由于其設計硬度不高,使磨粒脫落的同時結合劑也同時脫落,保證了砂輪的鋒利性,提高了砂輪的磨削效率。

表2 酚醛樹脂金剛石砂輪的磨削實驗數據Table 2 G rinding test of phenolic resin bond diamond grinding wheel

電流值能代表砂輪與工件的壓力,從以上磨削數據中可以看出耐熱酚醛的磨削比高出普通酚醛很多,電流值小,磨削阻力也小,證明砂輪又鋒利又耐磨。而普通酚醛的電流值大,證明磨削阻力大,實際磨削中要增加修整次數,降低了磨削效率。

從以上可以看出,NR樹脂磨削性能優良,比“2123”酚醛樹脂磨削比高很多。針對此樹脂的特性,NR樹脂比較適合于制作要求自銳性較高的砂輪,從而減少了砂輪的修整間歇,提高了砂輪的耐用度。也可通過調整輔料配方和壓制工藝,提高砂輪硬度制作耐磨性較高的砂輪。

3.3.2 砂輪磨削表面分析

以下是兩種樹脂砂輪磨削試驗時砂輪磨過的表面,在顯微鏡下放大觀察的照片。

圖4 “2123”酚醛樹脂金剛石砂輪磨削表面Fig.4 grinding surface of“2123”phenolic resin bond diamond grinding wheel

從“2123”酚醛樹脂砂輪的微觀表面圖4(a)可以看出,樹脂砂輪磨料脫落很多,表面可以看到多處燒蝕的空洞,幾乎沒有看到金剛石磨料。由于酚醛樹脂砂輪在壓制過程中,產生大量氣孔,在磨削時金剛石顆粒容易出現滑移,產生的磨削熱使得磨料周圍的樹脂炭化分解,從而導致金剛石脫落。由圖4(b)還可以看到崩邊現象,在砂輪邊緣有成塊的結合劑脫落,這會使砂輪嚴重磨損斷裂而不能使用,這是因為“2123”樹脂韌性較差,在長時間磨削過程中容易發生型面破損的現象。

從圖5可以看到NR酚醛樹脂砂輪磨削表面的微觀情況。砂輪表面也可以明顯看到磨料脫落的空洞,但沒有“2123”樹脂多,而金剛石保留數量較多,且結合緊密,這說明NR的耐熱性要比“2123”強。NR砂輪表面也能看到一些氣孔,但數量與圖4(a)相比少很多,砂輪組織更致密,工件表面質量較好。由于NR樹脂具有較好的耐熱性和韌性,保證了磨削過程的順利進行,燒蝕空洞較少,金剛石顆粒保持完整,沒有出現崩邊現象。因而NR樹脂砂輪比“2123”砂輪磨削比更高,這一點也可以從磨削試驗結果看到。由此可見,樹脂的力學性能和耐熱性是影響樹脂金剛石砂輪磨削性能的重要因素。樹脂的抗折強度可提高砂輪的型面保持性,增加耐磨性;耐熱性好使樹脂能更多的承受高溫對結合劑的破壞作用,保持對磨料的粘接作用。

圖5 NR酚醛樹脂金剛石砂輪磨削表面Fig.5 Grinding surface of NR phenolic resin bond diamond grinding wheel

4 結論

(1)通過實驗表明:耐熱酚醛樹脂粉是一種較為理想的金剛石砂輪結合劑,所制造的金剛石砂輪耐磨性和所加工工件的表面質量優良。

(2)TG-DSC曲線表明:耐熱酚醛樹脂粉在250℃之前的熱穩定性較好,這對提高砂輪的磨削性能很有益處。

(3)耐熱酚醛樹脂有較好的韌性,較高的抗折強度能讓金剛石砂輪有較好的型面保持性,提高耐磨性。

[1] 華勇,李亞萍,蔣登高.金剛石砂輪樹脂結合劑的性能分析[J].金剛石與磨料磨具工程,2004,143(5):4-6.

[2] 劉濤,曾黎明,葉曉川,趙軍.雙馬改性酚醛樹脂的制備及熱性能分析[J].武漢理工大學學報,2010,32(7):12-14,27.

[3] 余家國,程蓓,李克華,等.三種樹脂金剛石砂輪的耐磨性與顯微結構的關系[J].機械工程材料,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

目前國內生產樹脂金剛石砂輪使用最多的結合劑是各種改性的酚醛樹脂和聚酰亞胺樹脂,酚醛樹脂作為普遍應用的樹脂磨具結合劑,具有價格低廉、綜合性能優越、生產工藝簡單等優點[1]。國內樹脂磨具中酚醛樹脂牌號多為“2123”。“2123”樹脂在150℃～180℃成型,具有一定的機械強度。但“2123”樹脂耐熱性較低,一般工作溫度不能超過170℃,長期工作溫度不能超過120℃,不適于大進刀,深切削加工。本文對一種耐熱酚醛樹脂的熱性能進行了表征,對其進行了力學性能試驗和磨削試驗,并與“2123”樹脂進行了對比,通過對砂輪的磨削面進行觀察,分析了兩者耐磨性差異的原因。

2010-04-22

葉曉川(1964-),畢業于武漢大學化學系有機化學專業,長期從事樹脂結合劑的研究和生產開發,湖北省玻璃鋼學會理事,武漢理工大學材料學院博士(在讀)。