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金刚石与CBN树脂结合剂磨具

http://www.momo35.com   来源:《磨料磨具》杂志  日期:2015/05/04

(文/李印江)

  §1  概述


  有机磨具是在1880年出现的,当时用天然虫胶做结合剂,以后有了人造树脂,有机磨具才迅速发展起来。树脂磨具所以能迅速的发展,主要有以下几方面的特点:


  (1)  结合强度高,如高速砂轮使用线速度可达80-120m/s。


  (2)   便于调整结构和性能,树脂磨具的硬化温度只有200℃左右,加入填料时许多填料的性能在制成磨具后仍能保持,所以使用不同的填料能在很大放范围内改变磨具的性能。


  (3)  树脂磨具有一定的弹性,有利于提高被加工工件的光洁度,选用石墨、氧化铬等抛光材料作填料还可以进一步降低粗糙度。


  (4)  加工中不易烧伤工件, 树脂在230℃上就逐渐炭化,加工中的高温使树脂局部炭化,产生自锐,提高了磨削的锋利度从而又降低了磨削温度,避免烧伤工件。


  (5)   由于树脂具有良好的成型性能,又有很好的韧性,所与可以制成约0.1mm厚度的薄片砂轮,用于开槽切割。


  (6)   树脂磨具生产周期短,设备简单,投资少见效快。


  (7)   树脂磨具耐水性差、耐碱性差, 保存期短,是其缺点,生产和使用中应予以注意。


  §2  超硬树脂磨具的结构和性能


  一、超硬树脂磨具的结构


  超硬树脂磨具主要由金刚石和CBN两种超硬磨料与结合剂、填充材料和基体构成;气孔量很少。


  (1)  超硬磨料  作为切削刃,切削工具,是磨具的主要组成部分,对磨具性能起决定作用。金刚石和CBN两种超硬磨具使用性能不同,但其结构和制造工艺基本一致。


  (2) 结合剂  起着粘结超硬磨粒和各种填充材料的作用,使磨具得以成型。


  (3) 填充材料  赋予磨具各种独特的性能,如导电性、抛光性等。


  (4) 气孔  是磨具成型过程的残留,数量很少。树脂在230℃上就逐渐炭化,所以气孔在树脂磨具中不像陶瓷磨具的气孔那么重要。


  二、超硬树脂磨具的性能


  超硬树脂磨具的性能由六个因素确定:超硬磨料材质、超硬磨料粒度、结合剂(树脂)性能、磨具硬度、填充材料性能和磨具组织。


  (1)  超硬磨料材质  金刚石和CBN两种超硬磨料有不同的性能,适用不同磨削对象的需要,也决定了磨具的性能。


  (2)  超硬磨料粒度  相同的磨料不同的粒度的磨具,对被加工工件的精度, 粗糙度,加工效率等方面都有明显的影响。


  (3)  结合剂  各种树脂的粘结强度、耐热性、耐磨性和稳定性均有不同,所以用不同的树脂作结合剂时磨具的性能也不同。


  (4)  硬度  不同加工质量和不同材质的工件对磨具的硬度有不同的要求,同时硬度对加工效率也有很大的影响。


  (5)  超硬磨具的浓度  超硬磨具的浓度用超硬磨料在磨具中所占的体积百分数来表示,超硬磨料占磨具体积的25%时浓度为100,浓度大超硬磨料含量高。


  (6)  填料  由于树脂磨具的硬化温度低,所以磨具制成后混料时加入的某些填料仍然保持着原有的特性,如铜粉、石墨粉的导电性,某些填料的抛光性能和高分解性能等都影响着磨具的特性,所以对于超硬树脂磨具填料是一个重要的组成部分。


  此外,在制造过程过所产生的一些性能,如平衡性和几何精度等也对磨具质量有很大影响。


  §3  树脂结合剂磨具常用的树脂


  作为结合剂用对树脂的要求:


  (1)对磨料有很强的结合能力。


  (2)有较高的耐热性能。


  (3)有很高的抗拉、抗压、抗冲击强度。


  (4)具有良好的制造和加工性能。


  具有这些特点的常用树脂有:酚醛树脂、环氧树脂、新酚醛树脂、聚胺基双马来酰亚胺树脂和胶木粉等。


  一、酚醛树脂


  酚醛树脂是由苯酚和甲醛在酸、碱触媒作用下合成的。由于工艺不同可以制成液体酚醛树脂和粉状酚醛树脂两种。


  1、液体酚醛树脂的性质  液体酚醛树脂常温下是棕红色粘稠液体,有刺激性气味。比重1.15-1.2。能溶于乙醇、丙酮、糠醛等溶剂中。树脂中游离酚含量为10-18%。


  液体酚醛树脂在100℃的温度下保持2个小时仍有流动性,属甲阶,称A型,A型的特点是能溶于酒精中。


  在120℃保持2小时则失去流动性,变为乙阶、称B型。B型树脂的特点是不溶于酒精,但略有膨胀,成弹性体。在130℃以上保持2个小时则成坚硬的固体,属丙阶,称C型。C型树脂的特点是不溶于酒精,不变形;加热不溶化;加热到230℃以上则炭化。


  2、液体酚醛树脂的性质对磨具性能的影响


  (1) 树脂粘度  液体树脂的粘度与温度和固体含量有关,固体含量高、温度低则粘度高,反之则粘度低。作为粉状酚醛树脂润湿剂使用时,低粘度的溶解能力较强,生产的磨具机械强度较高;树脂的粘度用落球法或杯流法测定。作为粉状润湿剂使用的液体酚醛树脂的粘度一般用杯流法测定,数值在40-400秒之间。


  (2)游离酚的影响  液体酚醛树脂中有一部分没有参加反应的苯酚,称为游离酚。游离酚在做为润湿剂的树脂中应控制在28%以下。虽然游离酚的这个数值较高,但因为苯酚可以溶解粉状树脂,使型料有较好的可塑性,有利于树脂对磨粒的粘结,可以提高磨具的强度。


  (3)固体含量  重量为W1(5-10克)的树脂在150-180℃的温度下加热1小时的剩余量W2,按式(1.1),(1.2)计算出x称固含量,y为聚合损耗。


  (1.1)


  (1.2)


  x ——固体含量


  y ——聚合损耗


  W1——加热前树脂量


  W2——加热后树脂量


  3、固体粉状酚醛树脂的性质


  (1)固体粉状酚醛树脂生产中苯酚与甲醛的比例与液体树脂生产中甲醛过量相反而是苯酚过量,其工艺流程与生产液体酚醛树脂大致相同。产品冷却后成淡黄色半透明固体块状,经粉碎过筛后成粉状。


  (2)固体粉状酚醛树脂是热塑性树脂 制造磨具时需要加入硬化剂使之转变成热固性的树脂。常用的硬化剂是乌洛托品,亦称六次甲基四胺。乌洛托品为白色结晶粉末,比重为1.27(25℃),溶于水和酒精。分子式(CH2)6N4。加入量为树脂的6-10%。可以在树脂粉碎时加入,也可以在使用前加入。乌洛托品加入量太少不足以使树脂硬化,加入量太大增加挥发物排出量,也会降低磨具的强度和硬度。市售产品一般都已加过乌洛托品,使用前不用另加。


  (3)固体粉状树脂的软化点  软化点实际上反映了树脂的的聚合程度,聚合程度高则软化点高,反之亦然。软化点低的树脂粉碎时发粘,放置时易结块。混合的型料也易结块。软化点过高虽然型料比较松散。但是成型压合性差,也影响磨具强度。一般要求粉状树脂软化点在85-115℃之间,以90-105℃为宜。但是随冬夏季节气温的变化应将软化点略加调整,气温低时软化点也低些,气温高时软化点也高些。


  (4)固体粉状酚醛树脂的游离酚含量通常在5.5%左右。


  (5)固体粉状酚醛树脂的粒度  粉状酚醛树脂要与硬化剂混合,过粗的程度不利于相互接触,所以粉状树脂的粒度组成要求240#以细的粒度大于80%,100#筛余小于3%。


  固体粉状酚醛树脂的技术条见表1


  表1  固体粉状酚醛树脂的技术条


  二、环氧树脂


  环氧树脂是环氧氯丙烷与二酚基丙烷以氢氧化钠做催化剂加热缩聚而成。


  1、环氧树脂的性质


  (1)环氧树脂有液体和固体两种,均为淡黄色,属热塑性,性质稳定,可长期储存,易溶于丙酮、甲苯等溶剂。在固化剂作用下可加热硬化,而呈热固性。


  (2)具有较强的粘结力  环氧树脂有极为活泼的环氧基,能生成化学键与接触面反应联结,另有羟基和醚基与接触表面产生电磁引力,所以有很强的粘结能力。


  (3)固化时收缩小,尺寸稳定性能好,热膨胀系数小,生产中不易出现裂纹等废品。


  (4)耐化学浸蚀性好,耐碱,耐酸也耐有机溶剂。


  (5)环氧树脂的最大缺点是耐热性能差,其耐热性能随固化剂不同而有很大变化,但不论那种固化剂他的耐热性都较酚醛树脂差的多。


  2、环氧树脂的特点


  (1)具有较高的强度和硬度,相同条件下的回转线速度,酚醛结合剂为108m/s,环氧树脂结合剂为126m/s以上。


  (2)因其耐热性差,使用中磨损大,消耗高;但因其耐热性差而自锐性好,不易烧伤工件,在某些方面的应用也是他的优点。


  (3)环氧树脂的固化剂,环氧树脂可加入固化剂加热硬化,固化剂参加化学反应,成为树脂的组成部分,硬化后成为不溶不熔的固体物质。


  ① 胺类固化剂  主要是乙二胺、三乙醇胺,间苯二胺等。胺类固化剂可以“冷硬化”,即在不加热的情况下固化,固化迅速。但其耐热性较低,通常用于浇注制品。如果制品在100℃以下加热一段时间,则固化的更好。


  ② 酸酐类固化剂  酸酐类固化剂需要加热固化,固化温度在130℃以上。其固化物有较高的耐热性。常用的有邻苯二甲酐。


  ③ 聚酰胺固化剂  聚酰胺用量多时制品韧性好,耐冲击;但耐热性差。用量少时制品耐热性高,耐腐蚀性好。


  ④ 酚醛树脂固化剂  液体酚醛树脂和粉状酚醛树脂都可以做环氧树脂的固化剂。用酚醛树脂固化的制品机械强度好,耐热性好,使用方便,是较好的固化剂。


  (4)环氧树脂的稀释剂和增塑剂  为改善环氧树脂的某些性能需要添加一些辅助材料,主要有稀释剂和增塑剂。


  ① 稀释剂有活性稀释剂和非活性稀释剂。常用的非活性性稀释剂有丙酮、二甲苯、香蕉水等。活性稀释剂有501#活性稀释剂、609#活性稀释剂、环氧辛烷等。非活性稀释剂能与树脂互溶,将树脂的粘度降下来,但不参加反应,硬化过程大部挥发掉,降低制品的密度,增加收缩,残留部分也使机械强度有所降低。活性稀释剂除有降低树脂粘度的作用外在硬化过程中还参加固化反应,成为树脂的组成部分,因而制品的收缩小。使用活性稀释剂时固化剂用量要略有增加。


  ② 增塑剂  增塑剂也称增韧剂能降低环氧树脂的脆性,常用的非活性增塑剂有邻苯二甲酸二丁酯,磷酸三乙酯等。活性增塑剂有聚酰胺树脂、环氧酯、聚硫橡胶等。


  非活性增塑剂在磨具制造中常用邻苯二甲酸二丁酯,它不参加固化反应但能增加树脂的柔韧性,同时降低树脂的粘度既起增塑作用也起稀释作用,但树脂的抗拉强度有所下降。活性增塑剂能参加固化反应,常用的聚酰胺树脂既是增塑剂又是固化剂,能使树脂的抗弯强度和抗冲击强度有所提高。


  3、环氧树脂在磨具制造中的应用


  (1)作酚醛树脂磨具的润湿剂  粉状酚醛树脂型料易结块,使用环氧树脂作润湿剂,可减少型料结块,提高松散性。环氧树脂与酚醛树脂发生反应固化时减少发泡废品,还可以提高制品的抛光性能。用于细粒度磨具有很好的效果。


  (2)用环氧树脂生产浇注制品。
 

(本文转载自《磨料磨具》第39期杂志,更多精彩尽在《磨料磨具》杂志。)

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