李克華，王幼江，郜永娟，王禮華，羊松燦

（1.國機(jī)精工有限公司，鄭州 450001；2.材料科學(xué)與工程學(xué)院，佐治亞理工學(xué)院，亞特蘭大 30318，美國；3.超硬材料磨具國家重點(diǎn)實驗室，鄭州 450001）

樹脂結(jié)合劑磨具因具有制造工藝簡易、自銳性好、磨削效率高且工件表面質(zhì)量好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種零件的粗磨、半精磨、精磨和拋光領(lǐng)域［1］。在樹脂、陶瓷和金屬三類結(jié)合劑超硬磨具中，樹脂磨具占比較高，在金剛石磨具中樹脂磨具約占60%～70% ，在立方氮化硼（cBN）磨具中樹脂磨具約占40%，而在所有樹脂磨具中酚醛樹脂（PF）的用量又約占80%左右［2］。聚酰亞胺（PI）是以酰亞胺環(huán)為特征結(jié)構(gòu)的聚合物，具有良好的耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性和突出的機(jī)械性能，自20世紀(jì)70年代應(yīng)用于超硬磨具結(jié)合劑領(lǐng)域［3］以來，在干式磨削等耐熱性要求高場合的應(yīng)用比例逐步提高。作為樹脂磨具中最重要的原材料之一，樹脂粉的性能優(yōu)劣直接決定了砂輪的磨削性能和工件表面質(zhì)量的好壞［4］。

含水率是PF和PI樹脂粉的一項重要性能指標(biāo)［5］，對樹脂磨具的壓制工藝、機(jī)械性能和磨削性能及穩(wěn)定性均有重要影響［6］。樹脂性能變動時，易造成砂輪在使用過程中出現(xiàn)壽命低、砂輪裂紋、工件表面質(zhì)量差等問題，甚至?xí)霈F(xiàn)砂輪磨料層脫環(huán)的問題，嚴(yán)重影響加工質(zhì)量和效率。樹脂含水量變化對其流動性和結(jié)合強(qiáng)度等會產(chǎn)生影響，進(jìn)而會引起砂輪的壓制和成型工藝、砂輪組織均勻性等指標(biāo)的變化，在磨削過程中會影響砂輪的磨削性能和工件表面質(zhì)量等［7］。因此，尋找合適的含水率范圍以穩(wěn)定砂輪的磨削性能，避免和減少在加工過程中的質(zhì)量波動，是實現(xiàn)高效精密磨削加工的關(guān)鍵。

李洪濤等［6］的研究表明：當(dāng)酚醛樹脂含水量＞3%時，其硬度和抗折強(qiáng)度明顯下降，不宜在正常生產(chǎn)中使用。當(dāng)酚醛樹脂含水量＜3%，而樹脂粉特定配方的抗折強(qiáng)度值或洛氏硬度值分別小于392N、HRB30時，酚醛樹脂在此種情況下不應(yīng)正常生產(chǎn)使用。朱建輝等［8］的試驗結(jié)果表明：含水率越高，砂輪的組織均勻性就越差，機(jī)械性能和磨削性能不穩(wěn)定且總體趨勢變差。磨削比、Ra值在一個耐用度周期內(nèi)波動較大，不適合精密磨削加工。為了獲得良好且穩(wěn)定的粗糙度表面，應(yīng)選用含水率＜0.3% 的樹脂原材料制作砂輪。上述兩項研究分別將酚醛樹脂含水率的值控制在兩個區(qū)間范圍內(nèi)，一個是＜3%，一個是＜0.3%。但用這兩個數(shù)據(jù)在樹脂磨具生產(chǎn)過程中均難以滿足需要，因為＜3%的指標(biāo)太寬松而沒有實際控制效果，而＜0.3%的指標(biāo)又太嚴(yán)苛，對于樹脂的生產(chǎn)和儲存來說很難達(dá)到要求。本文根據(jù)多年研究的檢測數(shù)據(jù)，研究PF和PI兩種樹脂的含水率對砂輪試樣機(jī)械性能的影響。

1 實驗條件及過程

采用的實驗條件及方法如下：

1.1 樹脂含水率測定：

測試含水率采用山東淄博淄分儀器公司生產(chǎn)的SF-3微量水分測定儀；稱量采用上海菁海儀器有限公司生產(chǎn)的FA2004N電子秤（稱量精度0.0001g）；試劑采用山東淄博淄分儀器公司生產(chǎn)的卡爾－費(fèi)休試劑（500ml分析純）。含水率的測定原理是采用卡爾－費(fèi)休庫倫法［6］。然后，根據(jù)法拉第電解定律計算出待測試樣的水分含量。至少測定5次，測量結(jié)果取算術(shù)平均值作為最后結(jié)果。

1.2 樹脂的凝膠時間和流長測定：

（1）凝膠時間

采用拔絲法測定樹脂的凝膠時間，將一個中間有圓凹坑的鑄鐵平板模具放在電加熱板上升溫至180℃并保溫，將0.5g樹脂粉倒進(jìn)模具凹坑中，使用直徑6毫米鐵絲攪拌樹脂并進(jìn)行拉絲，從樹脂全部熔融時開始計時，當(dāng)樹脂拉絲或絲斷時結(jié)束計時，該時間差為樹脂的凝膠時間。

（2）流長

采用斜板加熱法測定樹脂的流長，將樹脂粉壓制成直徑為12.5±0.3mm 且厚度為4.8±0.1mm 的圓片置于傾斜45°的鐵板上，放在鼓風(fēng)電熱干燥箱中升溫至175℃（PF）／220℃（PI），樹脂受熱流動直至固化，流動后長度減去圓片直徑為樹脂的流長。

1.3 試樣力學(xué)強(qiáng)度測定：

（1）抗拉強(qiáng)度

采用加裝有8字形試樣拉斷卡頭的萬能材料拉力試驗機(jī)（DNS200型，長春材料試驗機(jī)有限公司），依據(jù)GB／T16421－1996《塑料拉伸性能小試樣實驗方法》來測試材料試樣抗拉強(qiáng)度，試樣拉伸速率25mm／min，測試環(huán)境溫度20±1℃，濕度60%，每種配方做5個試樣，取平均值。

（2）抗折強(qiáng)度

采用自動彎曲強(qiáng)度試驗機(jī)（KZJ-5型，無錫建工試驗儀器設(shè)備有限公司）測試試樣彎曲強(qiáng)度，試驗中橫梁行進(jìn)速度為2mm／min，跨度為65mm，測試環(huán)境溫度（20±1）℃，濕度60%，每種配方做5個試樣，取平均值。

（3）洛氏硬度

采用洛氏硬度計（HR150-A型，昆山市順諾儀器有限公司）測試試樣洛氏強(qiáng)度，每種配方做5個試樣，取平均值。

1.4 試樣規(guī)格及制作工藝：

采用尺寸為10mm×25mm×100mm的長條試樣測試抗折強(qiáng)度；采用8字形試樣測試抗拉強(qiáng)度，國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T16421－1996《塑料拉伸性能小試樣實驗方法》中規(guī)定8字形試樣簡圖，見圖1。

圖1 8字形試樣Fig.1 "8"shape samples

試樣制作說明：采用金剛石、碳化硅磨料和固定配方的樹脂結(jié)合劑，經(jīng)混料、成型、二次等工序制造出所需試樣，試樣配方見表1。因樹脂種類不同，PF和PI樹脂分別采用相匹配的熱壓成型工藝和后固化曲線［1］，測試的每種樹脂試樣數(shù)據(jù)中，除樹脂含水率不同外其余條件均相同。文中實驗數(shù)據(jù)，均為測試5個試樣實驗數(shù)據(jù)的平均值。

表1 實驗試樣配方 （體積分?jǐn)?shù)V／%）Table 1 Experimental sample formulation（Volume fraction V／%）

2 結(jié)果分析與討論

2.1 樹脂含水率與凝膠時間及流動性的關(guān)系

測試了PI樹脂和PF樹脂的含水率、凝膠時間和流動性，分別對比分析了三者之間的對應(yīng)關(guān)系，數(shù)據(jù)及分析見圖2。

圖2 樹脂含水率與凝膠時間及流動性的關(guān)系Fig.2 Relationship of the moisture content，gel time，and fluidity of resin

圖2 （a）為PI樹脂的含水率與凝膠時間及流動性的對應(yīng)關(guān)系。圖中顯示，PI樹脂的含水率與流動性和凝膠時間均呈反比例關(guān)系，即含水率越低，樹脂的流動性越高，凝膠時間越長。這表明PI樹脂中水含量較大時，體系的反應(yīng)轉(zhuǎn)化趨勢向預(yù)聚體方向發(fā)生，造成PI樹脂中聚酰胺酸的脫水環(huán)化不完全，因此樹脂固化時間較長。另外圖中PI樹脂的含水率均≤1%，流動性指標(biāo)滿足15～35mm，凝膠時間滿足60～160s，上述參數(shù)和數(shù)值可作為采購PI樹脂控制指標(biāo)。

圖2（b）為PF樹脂的含水率與凝膠時間及流動性的對應(yīng)關(guān)系。圖中顯示，PF樹脂含水率與凝膠時間呈正比例關(guān)系，與流動性呈反比例關(guān)系，即含水率越低，PF樹脂的流動性越高，凝膠時間越短。表明PF樹脂中水含量較大時，有利于加熱后的樹脂熔融流動，但部分體系反應(yīng)轉(zhuǎn)向解聚方向發(fā)生，不利于PF樹脂交聯(lián)完全，從而造成固化時間較長。另外圖中PF樹脂的含水率均≤1.2%，流動性指標(biāo)實際為18～30mm，樹脂的凝膠時間指標(biāo)滿足70～90s，上述參數(shù)和數(shù)值可作為采購PF樹脂控制指標(biāo)。

2.2 樹脂含水率與抗折強(qiáng)度的關(guān)系

測試了PI樹脂和PF樹脂的含水率與試樣抗折強(qiáng)度，分別對比分析了二者之間的對應(yīng)關(guān)系，數(shù)據(jù)及分析見圖3。

圖3（a）為PI樹脂的含水率和試樣抗折強(qiáng)度之間的對應(yīng)關(guān)系。圖中顯示，當(dāng)PI樹脂含水率≤0.6%時，其含水率值與試樣抗折強(qiáng)度之間呈正比例關(guān)系，即含水率越高時試樣的抗折強(qiáng)度越高；當(dāng)PI樹脂含水率＞0.6%時，含水率值與試樣抗折強(qiáng)度之間呈反比例關(guān)系，即含水率越高時試樣的抗折強(qiáng)度越低。從樹脂的固化反應(yīng)角度分析其影響機(jī)理，因PI樹脂的固化反應(yīng)是聚酰胺酸預(yù)聚體發(fā)生脫水環(huán)化，樹脂中水含量較大時，體系的反應(yīng)轉(zhuǎn)化趨勢向預(yù)聚體方向發(fā)生，造成PI樹脂中聚酰胺酸的脫水環(huán)化不完全，樹脂固化程度較低，影響試樣的抗折強(qiáng)度。在此條件下，含水率與試樣的抗折強(qiáng)度之間呈現(xiàn)反比例關(guān)系。但水又是影響PI樹脂脫水環(huán)化程度的平衡劑，當(dāng)樹脂中含水量低時，聚酰胺酸預(yù)聚體中的脫水環(huán)化速度較快，引起試樣內(nèi)部應(yīng)力增大，也會降低試樣的抗折強(qiáng)度，在此條件下，含水率與試樣的抗折強(qiáng)度之間呈現(xiàn)正比例關(guān)系。圖中測試PI樹脂的含水率數(shù)值范圍為0.3%～0.9%，其中約70%的數(shù)據(jù)在0.4%～0.65%范圍之內(nèi)，在此范圍內(nèi)的試樣抗折強(qiáng)度范圍為76～93MPa。

圖3 （b）為PF樹脂的含水率和試樣抗折強(qiáng)度之間的對應(yīng)關(guān)系，從圖中可以看出，PF樹脂的含水率和試樣抗折強(qiáng)度之間呈反比例關(guān)系，即含水率越高時試樣的洛氏硬度越低。分析其影響機(jī)理為，因B樹脂的固化反應(yīng)是苯酚和甲醛的聚合反應(yīng)，生成產(chǎn)物中有水。樹脂中水含量較高時，部分固化反應(yīng)向解聚反應(yīng)方向發(fā)生轉(zhuǎn)化，造成B樹脂聚合反應(yīng)不完全導(dǎo)致樹脂固化程度較低；同時水在試樣壓制過程中形成水蒸氣，導(dǎo)致試樣結(jié)構(gòu)疏松從而影響試樣的力學(xué)強(qiáng)度。圖中測試PF樹脂含水率的區(qū)間為0.4%～1.2%，其中76.4%的數(shù)據(jù)在0.8%～1.2%范圍之內(nèi)，在此范圍內(nèi)試樣的抗折強(qiáng)度范圍為60～80MPa。

2.3 樹脂含水率與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系

測試了PI樹脂和PF樹脂的含水率及試樣的抗拉強(qiáng)度，分別對比分析了二者之間的對應(yīng)關(guān)系，數(shù)據(jù)及分析見圖4。

圖4 樹脂含水率與試樣抗拉強(qiáng)度的對應(yīng)關(guān)系Fig.4 Relationship of resin moisture content and tensile strength of sample

圖4 為樹脂含水率與試樣抗拉強(qiáng)度的對應(yīng)關(guān)系。從圖中可以看出，PI樹脂和PF樹脂的含水率變化對試樣抗拉強(qiáng)度的影響均不明顯。PI樹脂試樣的抗拉強(qiáng)度指標(biāo)范圍為20～30MPa，PF樹脂試樣的抗拉強(qiáng)度指標(biāo)范圍為30～45MPa。分析PI樹脂抗拉強(qiáng)度低于PF樹脂的原因，是PI樹脂中苯環(huán)增加了樹脂的剛性，減弱了樹脂的流動性及其對顆粒增強(qiáng)材料的潤濕性能，樹脂對磨料和填料的結(jié)合力弱于PF樹脂。

關(guān)于樹脂含水率對砂輪磨削（或者切割）性能的影響仍有待進(jìn)一步研究，目前正開展將不同含水率樹脂制作成超薄切割砂輪以用于切割QFN材料時性能變化的測試。

3 結(jié)論

（1）經(jīng)分析多年的數(shù)據(jù)，得出用于金剛石制品的PF和PI樹脂的含水率控制范圍。其中PI樹脂的含水率宜控制在0.4%～0.65%范圍內(nèi)，PF樹脂的含水率宜控制在0.8%～1.2%范圍內(nèi)。

（2）通過分析不同樹脂的聚合機(jī)理，闡述了樹脂含水率對試樣的成型工藝和力學(xué)性能的影響，并確定了兩種樹脂的主要控制指標(biāo)及范圍。

（3）樹脂含水率對試樣抗折指標(biāo)影響較大，對試樣抗拉指標(biāo)影響較小，建議通過控制試樣的抗折指標(biāo)來控制樹脂的含水率指標(biāo)，可以較好保證樹脂磨具的質(zhì)量及其穩(wěn)定性。

致 謝：感謝中國國家外專局和工信部聯(lián)合組織的2017年“高端裝備人才培養(yǎng)計劃”項目資金支持，項目編號為P173008017。