寧春旭,肖樂銀,2,,王進(jìn)保,2,劉志環(huán),2,劉心宇

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

0 引言

金剛石涂附磨具是指用樹脂結(jié)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(zhì)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(zhì)量。但由于普通樹脂結(jié)合劑本身的耐磨性差及對磨料的包鑲力弱,導(dǎo)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(jié)合劑的性能是影響金剛石涂附磨具使用性能的一個(gè)重要因素[1～4]。

本文首先討論了金剛石涂附磨具結(jié)合劑的評價(jià)指標(biāo)如何制定,然后通過相應(yīng)指標(biāo)的測定,評價(jià)了金剛石涂附磨具結(jié)合劑的改性效果,最后通過磨削試驗(yàn),進(jìn)一步證實(shí)評價(jià)指標(biāo)的可行性。

1 性能評價(jià)指標(biāo)的制定

制作成品進(jìn)行磨削試驗(yàn)是檢測結(jié)合劑性能好壞的一個(gè)直接方法,但需耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間。根據(jù)金剛石涂附磨具的使用要求,我們知道結(jié)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(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度來評價(jià)結(jié)合劑的柔韌性,通過熱重分析來評定其耐熱性,通過結(jié)合劑的耐磨性試驗(yàn)和沖擊強(qiáng)度下降率來判斷其耐磨性和對金剛石的包鑲強(qiáng)度,綜合室內(nèi)磨削試驗(yàn)證明了上述各項(xiàng)指標(biāo)可對金剛石涂附磨具用結(jié)合劑進(jìn)行性能評價(jià)。

本試驗(yàn)按照GB/T2568-1995《樹脂澆鑄體拉伸性能試驗(yàn)方法》、GB/T2571-1995《樹脂澆鑄體沖擊試驗(yàn)方法》和GB/T17657《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。其中,用于拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)的空白體各做5個(gè)樣品,磨損試驗(yàn)各做一個(gè)樣品,添加金剛石沖擊試樣各做5個(gè)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?yán)煸嚇拥臄嗔焉扉L率和沖擊試樣的沖擊強(qiáng)度來評價(jià)其柔韌性。其中,拉伸試驗(yàn)速度取5mm/min。

斷裂伸長率按下式計(jì)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(wěn)定性。以失重10%時(shí)的溫度作為樹脂的耐熱性溫度,對比NM-1結(jié)合劑和增韌改性后NM-2結(jié)合劑的耐熱性。

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

耐磨系數(shù)計(jì)算公式:

據(jù)表1所示，從調(diào)查覆蓋的地理區(qū)域來說，本調(diào)查所收集到的招聘信息涵蓋了全國大部分?。ㄖ陛犑小⒆灾螀^(qū)），獲得的招聘信息是比較充分的。

式中:η—結(jié)合劑耐磨系數(shù);m1—磨損前試樣質(zhì)量,g;m2—磨損后試樣質(zhì)量,g。

沖擊強(qiáng)度下降率的計(jì)算公式:

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

2 金剛石涂附磨具用環(huán)氧樹脂膠粘劑的改性

NM-1結(jié)合劑(1號結(jié)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(jié)合強(qiáng)度高、收縮率小、耐介質(zhì)性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。但NM-1結(jié)合劑固化產(chǎn)物是較高的交聯(lián)密度的三向網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)體,主鏈的運(yùn)動非常困難,存在內(nèi)應(yīng)力大的缺點(diǎn),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(jié)合劑(2號結(jié)合劑),固化后形成了互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),網(wǎng)絡(luò)中的柔性聚氨酯鏈段起到了進(jìn)一步增加柔韌性的目的。在材料受到?jīng)_擊時(shí),分散軟段聚集體能夠吸收沖擊能量阻止微裂紋擴(kuò)展,提高其韌性[5～6]。同時(shí)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(jià)指標(biāo),對其性能進(jìn)行評價(jià)。

3 改性結(jié)果及評價(jià)分析

3.1 柔韌性評價(jià)

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(jié)合劑的柔韌性是影響涂附磨具柔韌性的一個(gè)重要因素。

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

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

拉伸試驗(yàn)曲線如圖2所示:

圖2 兩種樹脂結(jié)合劑拉伸試驗(yàn)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(qiáng)度,從而表現(xiàn)出更好的柔韌性,有利于各種異形工件的磨削和拋光。同時(shí),從圖2我們也可以看出,拉伸過程中NM-1樹脂結(jié)合劑的最大拉伸載荷為1630.94N,聚氨脂改性后的NM-2結(jié)合劑為1850.56N,表現(xiàn)出更好的機(jī)械力學(xué)性能。

3.2 耐熱性評價(jià)

圖3 兩種樹脂結(jié)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(jié)合劑的熱重曲線。熱重分析顯示,失重10%時(shí)NM-1結(jié)合劑對應(yīng)溫度為364.6℃、聚氨脂改性后的NM-2樹脂結(jié)合劑為375.8℃,表明改性樹脂具有略優(yōu)于NM-1樹脂的熱穩(wěn)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(dǎo)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(jià)

表2 耐磨系數(shù)測試結(jié)果Table 2 The testing results of wear coefficient

表3 沖擊強(qiáng)度下降量Table 3 The decreasing value of impact strength

圖4 兩種樹脂結(jié)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(jié)合劑耐磨系數(shù)測試結(jié)果和添加金剛石后試樣沖擊強(qiáng)度減少量。由表2可知,聚氨脂改性后的NM-2結(jié)合劑的耐磨系數(shù)0.46略小于NM-1樹脂0.48,這說明固化后NM-2樹脂結(jié)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(jié)合劑本身的耐磨性,還取決于結(jié)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(qiáng)度的下降率NM-1樹脂更為明顯,說明NM-2樹脂結(jié)合劑對金剛石的把持力更強(qiáng)。從SEM照片(圖4)來看,NM-1樹脂結(jié)合劑與金剛石磨料結(jié)合緊密程度比NM-2結(jié)合劑稍差。

4 膠粘劑評價(jià)結(jié)果與磨削性能的對應(yīng)性

為了更好地驗(yàn)證結(jié)合劑性能的好壞及評價(jià)指標(biāo)的可行性,我們分別制作兩種結(jié)合劑的600目磨具成品,固化溫度與時(shí)間都為:120℃,3h。采用CM 6125車床改裝設(shè)備對玻璃進(jìn)行磨削試驗(yàn),工件尺寸:40mm×15mm×8mm,磨具轉(zhuǎn)速為1600 r/min,使用水作為冷卻液,采用恒進(jìn)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(jié)果Table 4 The results of grinding glass with grinding w heel

由表4可知,2號結(jié)合劑磨具的柔韌性有明顯提高,磨具磨削10小時(shí)后表面仍未見明顯裂紋,1號結(jié)合劑磨具磨削5小時(shí)后表面可見明顯裂紋,這與通過測試斷裂延伸率與沖擊強(qiáng)度得出的結(jié)論是一致的。同時(shí),2號結(jié)合劑磨具的壽命亦大于1號結(jié)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(jié)合劑優(yōu)于NM-1結(jié)合劑,這與上述分析也是相對應(yīng)的。NM-1結(jié)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(jié)合劑1.58。

由上述結(jié)果可知:樹脂結(jié)合劑的柔韌性、耐熱性、耐磨性及包鑲性能等指標(biāo)與磨具磨削試驗(yàn)結(jié)果具有很好的對應(yīng)性。結(jié)合劑柔韌性好,磨具成品工作面不易產(chǎn)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(shù)有較大關(guān)系,結(jié)合劑的力學(xué)性能對其影響不大?？傊?通過對樹脂結(jié)合劑的力學(xué)性能指標(biāo)的檢測和計(jì)算,可以間接反映成品磨削性能,減少試驗(yàn)成本、提高工作效率。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)金剛石涂附磨具的使用環(huán)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(qiáng)等評價(jià)指標(biāo)。綜合室內(nèi)磨削試驗(yàn)證明了通過斷裂延伸率、沖擊強(qiáng)度、熱重(TG)、耐磨性、斷口掃描電鏡等力學(xué)性能檢測和分析,可對金剛石涂附磨具用樹脂結(jié)合劑進(jìn)行柔韌性、耐熱性、耐磨性及對金剛石的把持力等性能進(jìn)行評價(jià)。

(2)通過聚氨酯改性后的NM-2結(jié)合劑,固化后形成了互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因此,與NM-1結(jié)合劑相比具有更好的柔韌性,同時(shí)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(qiáng)度減少量為60.9%,低于環(huán)氧樹脂63.2%,表現(xiàn)出更好的綜合性能。

(3)在磨削使用之前即對結(jié)合劑地綜合性能進(jìn)行評價(jià),可以有效的指導(dǎo)金剛石涂附磨具生產(chǎn)和結(jié)合劑的調(diào)配。

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