不同潤濕劑對陶瓷結合劑CBN砂輪成型料性能的影響

李鶴南， 王志起， 劉 賓， 孫鵬輝， 王朝富， 席耀輝

(鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司， 鄭州 450001)

陶瓷結合劑砂輪中的結合劑、磨料、填料大多都是顆粒狀或粉狀物，都屬于瘠性料。混料時，為使成型料具有一定的成型性，需加入起臨時潤濕和黏結作用的潤濕劑。常見的陶瓷結合劑CBN砂輪用潤濕劑有多種類型，如糊精液、聚乙烯醇(PVA)溶液、羧甲基纖維素鈉(CMC)溶液等[1]，均屬于有機物類型，潤濕性能好，在砂輪燒成的過程中能被燒盡，但黏結性差，砂輪濕坯強度較低；也有水玻璃等無機物類型[2]，該類型潤濕劑黏結性能好，成型砂輪濕坯強度高，但會對陶瓷結合劑成分造成污染，且不易控制。

近年來，針對陶瓷結合劑砂輪用潤濕劑及混合料的成型性等方面，學者們開展了諸多研究。卓儉明等[3]研究了一種新型的改性渣油乳化液潤濕劑，獲得了松散性、保存性好的成型料，成型制品具有自硬性，濕坯固結干燥速度快，干強度高；王學濤等[4]選定甘油作為成型料松散度調節(jié)劑，對加入甘油后成型料的松散性、流動性以及成型料壓制出的濕、干坯強度進行研究，結果顯示成型料添加甘油后，其松散性、流動性均有大幅提升，年度組織不均廢品率由原來的5.40%降至2.00%；俞才興[5]對影響陶瓷磨具坯體濕干強度的因素做了對比分析，結果表明潤濕劑對坯體濕、干強度影響最大。

實驗以糊精液作對比，研究4種新型潤濕劑對成型料以及對陶瓷結合劑CBN砂輪成型均勻性的影響。

1 實驗條件及過程

實驗選取聚乙烯醇縮丁醛(以下簡稱PVB)乙醇溶液、聚丙烯酰胺(單體質量分數(shù)低于0.02%)(以下簡稱PAM)水溶液、聚乙二醇(以下簡稱PEG-6000)水溶液、異丁烯-馬來酸酐共聚物(以下簡稱ISOBAM-110)水溶液等4種新型潤濕劑，對比組為糊精液，所有潤濕劑的質量分數(shù)均為20%，所選取的潤濕劑均為無毒型有機物，屬于綠色環(huán)保產品。采用粒度號為80/100的CBN磨料與陶瓷結合劑按照8∶2的質量比配混料，潤濕劑加入量為配混料總質量的6%?；炝瞎に嚥捎檬止せ炝?，首先使用潤濕劑潤濕CBN磨料，然后加入陶瓷結合劑，并充分攪拌混勻，將混勻的成型料過18目篩網2遍，備用。

對混合均勻的成型料進行分析，在顯微鏡下觀察結合劑在磨料表面的包裹性及均勻性。用松裝密度測定儀測量不同潤濕劑所混的CBN成型料的松裝密度。稱取混合均勻的成型料分別壓制成50 mm×5 mm×6 mm的試樣條備用。

圖1為陶瓷結合劑CBN試條濕坯強度測試示意圖。具體測試方法如下：在CBN試條的一端放置0.25 N的載荷，以0.2 m/min的速度緩慢向前移動直至試條斷裂，斷裂后測量伸出一側的試樣長度，以此值來表示不同潤濕劑成型料的濕坯強度。用同樣的工藝將成型料壓制成1A8 18 mm×35 mm×12 mm的內圓磨砂輪，燒成后將砂輪沿軸向分割成等高的5段，測量每段的外徑和內徑，并計算體積，砂輪組織均勻性用不均勻率σ表征，用公式(1)計算。用美國FEI公司生產的Inspect S50掃描電子顯微鏡觀察不同潤濕劑成型的內圓磨砂輪燒成后的斷口形貌。

(1)

2 結果與分析

2.1 成型料混合均勻性對比

圖2為不同類型潤濕劑成型料的微觀照片。

(a)糊精液(b)PVB(c)PAM(d)PEG-6000(e)ISOBAM-110圖2 不同類型潤濕劑成型料微觀照片對比Fig. 2 Comparison of microscopic photos of mixtures with different wetting agents

從圖2a可以看出：糊精液為潤濕劑所混成型料中的結合劑在磨料表面能夠形成基本的包裹，但由于糊精液為水溶性潤濕劑，沒有成膜能力，結合劑在磨料表面包裹的厚度一致性較差，且有磨料團聚現(xiàn)象存在。

由圖2b可看出：PVB混合的成型料結合劑“跑粉”嚴重，從磨料表面大量脫落，即結合劑與磨料出現(xiàn)分離現(xiàn)象。這是因為乙醇揮發(fā)速度較快，PVB乙醇溶液干燥后不能在磨料表面形成黏結強度較高的覆蓋層，導致游離的結合劑較多，即所謂的“跑粉”。

從圖2d中看出：使用PEG-6000所混成型料也有類似的掉渣現(xiàn)象，還看到有明顯的未被打開的結合劑團，說明該潤濕劑分散性和對磨料的潤濕性都較差。

采用PAM(如圖2c)和ISOBAM-110(如圖2e)作潤濕劑時，結合劑均能較好地形成對CBN磨料的包裹，未見結合劑與磨料有明顯的分離現(xiàn)象，說明這2種潤濕劑在磨料表面的潤濕性和黏結性均較好，對成型料混合均勻性有較好的改善作用。

2.2 成型料松裝密度對比

成型料的松裝密度對砂輪成型性有明顯影響，松散性越好，流動性也越好，砂輪在成型過程中投料也比較容易。5種潤濕劑成型料松裝密度測試結果如圖3所示。從圖3中可以看出：用PAM混合的成型料松裝密度最大，較糊精液所混成型料的松裝密度提升了51.14%；采用ISOBAM-110混合料的次之，較糊精液的提升了46.59%；PEG-6000所混成型料最低。這是因為用PAM和ISOBAM-110作為潤濕劑時，結合劑在磨料表面形成均勻的包裹層，沒有出現(xiàn)結合劑或結合劑與磨料形成的結團，混合料顆粒大小均勻一致，在自然堆積的過程中流動性好，可以均勻填充空隙；而采用PEG-6000所混成型料出現(xiàn)了結合劑團聚現(xiàn)象，且磨粒之間粘連嚴重，造成成型料內部顆粒大小不一，流動性差，因此松裝密度也較小。

2.3 CBN試條濕坯強度對比

衡量潤濕劑性能的另外一個重要指標就是砂輪的濕坯強度。砂輪在制作和搬運的過程中如果濕坯強度不夠，就會造成砂輪的直接損壞或隱形損傷。由于陶瓷結合劑砂輪的濕坯強度相對較低，無法采用常規(guī)的三點彎曲法進行測試，因此采用圖2所示的專用測試方法，以CBN試條斷裂的長度來表征濕坯強度。圖4為不同類型潤濕劑CBN試條濕坯強度測試結果。

從圖4可看出：糊精液為潤濕劑的CBN試條濕坯可承受的斷裂長度為18.13 mm，PAM的斷裂長度為24.49 mm，較糊精液的提升35.08%，ISOBAM-110的斷裂長度次之，較糊精液的提升17.71%，PVB的斷裂長度最小。這表明：采用PAM和ISOBAM-110作為潤濕劑，可以較為有效地提升濕坯的強度，大大改善砂輪的成品率，而PVB作為潤濕劑對砂輪濕坯強度有降低的趨勢。對照圖2可知：若結合劑能在磨料表面均勻包裹，則說明該潤濕劑分散性和黏結性均較好；若結合劑從磨料表面剝落，則說明該潤濕劑黏性較差。因此，分散性和黏結性能較好的PAM和ISOBAM-110能夠獲得較好的濕坯強度，而黏結性能較差的PVB濕坯強度也最低。

2.4 CBN砂輪組織均勻性對比

表1是使用不同潤濕劑混料對砂輪密度均勻性的影響情況。圖5為不同潤濕劑成型砂輪斷面形貌。

從表1中可知：使用優(yōu)選出來的3種潤濕劑制成的砂輪密度均勻性優(yōu)劣依次為ISOBAM-110>PAM>糊精液>PEG-6000，使用ISOBAM-110和PAM作為潤濕劑成型的砂輪不均勻率較糊精液分別降低了23.75%和8.75%。

對比圖5發(fā)現(xiàn)：使用不同類型的潤濕劑成型的砂輪在燒成后斷口形貌也有明顯的差異，使用ISOBAM-110和PAM成型的砂輪組織分布均勻，磨料和結合劑橋銜接一致，氣孔呈均勻彌散狀分布；而采用PEG-6000成型的砂輪有明顯的磨料和結合劑團存在，且結合劑橋大小不一，氣孔分布極不均勻，易對砂輪實際磨削時的穩(wěn)定性產生不利影響。結合圖2和圖3可知：采用ISOBAM-110和PAM所混成型料，結合劑在CBN磨料表面包裹較為均勻，單個成型料顆粒近似呈球形，流動性好，松裝密度大，在成型過程中，成型料顆粒之間以及成型料與模具之間摩擦力較小，不容易出現(xiàn)“搭橋”現(xiàn)象，因此，二者成型的砂輪的組織均勻性均有明顯提升。

表1 不同潤濕劑對砂輪密度均勻性的影響Table 1 Effect of different wetting agents on the uniformity of grinding wheel density

(a)糊精液(b)PAM(c)PEG-6000(d)ISOBAM-110圖5 不同潤濕劑成型砂輪斷面形貌Fig. 5 Cross-sectional morphology of grinding wheels made from mixtures with different wetting agents

3 結論

(1)采用PAM和ISOBAM-110作潤濕劑時，結合劑均能較好的形成對CBN磨料的包裹，所混成型料均勻一致；而采用PVB和PEG-6000混合的成型料均有不同程度的“跑粉”或結合劑團聚現(xiàn)象。

(2) 采用PAM和ISOBAM-110所混成型料流動性好，松裝密度較糊精液的分別提升了51.14%和46.59%，所成型的CBN試條濕坯強度較糊精液的分別提升17.71%和35.08%。

(3)不同潤濕劑制成的砂輪密度均勻性優(yōu)劣依次為ISOBAM-110>PAM>糊精液>PEG-6000，其中使用ISOBAM-110和PAM作為潤濕劑成型的砂輪不均勻率較糊精液的分別降低了23.75%和8.75%。

(4)PAM、ISOBAM-110適合做陶瓷結合劑CBN砂輪的潤濕劑，而PVB和PEG-6000不適合。