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偶联剂处理对金刚石树脂砂轮磨削性能的影响

http://www.momo35.com   来源:超硬天地  日期:2017/07/10

文/陈雷 曾黎明 张超 武汉理工大学材料科学与工程学院

  叶晓川 武汉泰格斯科技发展有限公司

  宋幼行 武汉市汉江超硬磨具制造有限责任公司

 

摘要:

  本实验采用NaOH溶液对金刚石磨料进行了预处理,并用硅烷偶联剂进行表面改性,对改性后的金刚石磨料制造的树脂砂轮的磨削比和磨削效率进行了研究。结果表明,在干磨的条件下,改性后的金刚石磨料对砂轮磨削比的提高显著,磨削效率基本不变。通过显微镜观察磨削后的砂轮表面形貌,发现树脂对改性后的金刚石颗粒把持力增大,磨粒脱落减少,与仅用硅烷偶联剂处理的金刚石砂轮相比,其磨削比提高了50%。

 

关键词:

  硅烷偶联剂;金刚石磨料;磨削比;预处理

 

1引言

 

  树脂基金刚石砂轮因其自锐性好、磨削效率高等优点而被广泛应用于陶瓷、玻璃、硬质合金等硬脆材料的磨削加工中。目前,世界上60%以上的磨料级金刚石用于制造树脂基金刚石砂轮。然而,由于金刚石的化学稳定性极好,在常温下,金刚石对酸、碱、盐等化学试剂都表现为惰性,因此,树脂与金刚石颗粒之间的结合性能不理想。研究表明在干磨硬质合金时,大约有70%的磨粒没有获得充分利用而直接脱落。目前常用的处理方法如镀铜、镀镍等虽然能改善树脂与金刚石颗粒之间的浸润性,但多是机械嵌合,难以形成化学键的结合,而且还会影响金刚石磨粒的自锐性,在磨削过程中增加了动力消耗(约10%~20%)。磨料级的金刚石多为人造金刚石,合成过程中的高温高压环境使得金刚石晶体存在较多的缺陷,含有-COOH、-OH等基团。因次,可以使用偶联剂进行表面处理,改善其与树脂的浸润性。

 

  目前关于偶联剂处理金刚石磨料的文献所见较少,而且文献中所采用的处理方法均为单独使用偶联剂处理,未对金刚石进行预处理,处理工艺杂乱,改性效果不稳定,对砂轮的性能提升不明显。本实验采用NaOH溶液对金刚石磨料进行了预处理,然后用硅烷偶联剂进行表面改性。将改性后的磨料制成砂轮然后对其磨削性能进行了测试,并与未经任何处理的磨料、仅用NaOH溶液处理的磨料和仅用硅烷偶联剂处理的磨料进行了对比。

 

2实验部分

 

  2.1 实验材料

 

 

 

  2.2 仪器与分析表征

 

  (1)砂轮的压制使用MYS-100型热压机,砂轮二次固化在电热干燥箱中进行。

 

  (2)在DHM-3型磨削性能试验机上进行磨削实验。

 

  (3)用MDA1300型手持式USB数码显微镜对砂轮磨削面进行分析。

 

  2.3 实验过程

 

  2.3.1 金刚石的表面处理

 

  先将金刚石在0.11g/mL的NaOH溶液中80℃恒温搅拌4h,除去金刚石表面的杂质,对金刚石进行粗化和羟基化处理,然后洗涤烘干。最后用硅烷偶联剂的醇水溶液在79℃恒温搅拌的条件下对预处理后的金刚石进行进一步的表面改性,6h后将金刚石取出,用无水乙醇洗涤干净后烘干。

 

  2.3.2 树脂基砂轮的制样

 

  将处理后的金刚石磨料和未处理的金刚石磨料分别制成规格为1A1 100x16x20x4 RVD 140/170 B75 的砂轮,其中1#砂轮使用的是经过NaOH溶液和硅烷偶联剂处理的金刚石磨料,2#砂轮使用的是未经处理的金刚石磨料,3#砂轮使用的是未经NaOH溶液处理,仅用硅烷偶联剂处理的金刚石磨料,4#砂轮使用的是经NaOH溶液处理,但未用硅烷偶联剂处理的磨料。除金刚石磨料不一样外,所用填料配比、聚酰亚胺树脂、工艺等参数均相同。压制温度为230℃。

 

  2.3.3 磨削比测试

 

  (1)实验条件

       砂轮转速:5000r/min

  加载压力:500~1500g,

       恒力加载摆动频率:20次/min

  硬质合金:YG8

 

  (2)测试方法

  将需要磨削的砂轮和硬质合金刀具用丙酮清洗干净,放入烘箱,80℃烘干1h后移入干燥器冷却至室温,称重并记录。然后将砂轮和刀具分别装在磨削试验机上固定,设定好各参数,开始磨削,磨削过程完成后试验机自动停止。卸下磨削后的砂轮和刀具,用丙酮清洗干净后放入烘箱,80℃烘干1h后移入干燥器冷却至室温,称重记录,计算磨削比。

 

3结果与讨论

 

  3.1 磨削比值

 

  用制成的金刚石砂轮磨削硬质合金钢刀具,采用干磨的方式进行实验。采用的磨削比为质量比值,计算后将结果填入表2,计算公式如下:

 

 

  其中G为磨削比,△ms为砂轮磨耗质量,△mw为硬质合金刀具磨耗质量。

 

  磨削比表征了砂轮的磨削性能,磨削比越大,说明砂轮越经济实用。由表2的磨削比值可见,在相同的加载压力下,1#砂轮的磨削比在加载压力为500g、750g、1000g和1250g的情况下分别比2#砂轮高出11.4%、86.2%、63.4%和109.9%,这说明,在相同的树脂基体、工艺参数以及加载压力条件下,NaOH溶液和硅烷偶联剂对金刚石处理使砂轮的磨削比有显著的提高,尤其是当加载压力较大的情况下。

 

 

  由表3可以看出,在相同的加载压力下,和2#砂轮相比,3#砂轮的磨削比提高了39.8%,说明与未经硅烷偶联剂处理的金刚石相比,使用硅烷偶联剂处理能改善磨料与树脂的结合状态,增加树脂对磨料的把持力,提高砂轮的磨削性能;但和1#砂轮相比,其磨削比明显较低,仅为其磨削比的66.6%。这说明NaOH溶液的预处理产生了效果,经过NaOH溶液的预处理,金刚石磨料的表面可能产生小的凹陷,表面比以前更加粗糙,而且表面可能吸附部分羟基,在偶联处理的过程中,增加了偶联剂与磨料表面的反应点,形成更多的Si-O-M(M为金刚石磨料)键,使金刚石磨料与树脂结合的更加紧密。4#砂轮与2#砂轮相比,其磨削比提高了64.0%,比3#砂轮的磨削比高出17.3%。这说明NaOH溶液的预处理也能提高砂轮的磨削比,处理后的金刚石磨料表面发生了变化。

 

 

  3.2 磨削效率和砂轮磨损率

 

  磨削效率和砂轮磨损率是考核磨具磨削性能的重要指标,本实验采用的是磨耗质量与磨削时间的比值,计算公式如下:

 

 

 

  由表2和表3的数据可见,所有砂轮的磨削效率变化不大,这说明NaOH溶液和硅烷偶联剂的处理对砂轮的自锐性几乎没有影响。但从砂轮的磨损率可以看出,使用经过NaOH溶液和硅烷偶联剂处理的金刚石的砂轮的磨损率明显低于使用未处理金刚石的砂轮。即金刚石经过表面处理以后耐磨性明显提高,而锋利度并未降低(单位时间磨削掉的硬质合金量基本不变,而砂轮损耗量大幅减少)。3#和4#砂轮的砂轮磨损率介于二者之间,这说明NaOH的处理对改善树脂与磨料的结合状态起了很大的作用。

 

  3.3 砂轮表面分析

 

  通过显微镜对磨削后的砂轮表面进行观察,图1~6为四种砂轮在不同加载压力下干磨试验时磨削后砂轮的表面。

 

 

 

 

 

  在磨削过程中,砂轮的磨损形式主要有机械磨损、化学磨损和黏附磨损三种形式,其中机械磨损包括磨耗磨损、磨粒的破碎和脱落。磨耗磨损是指砂轮表面尖锐锋利的切削刃在磨削的过程中逐渐被磨损成小平面的过程,其明显的特征就是有明显的磨损平面,使磨粒与工件的接触面积增大。由图2和图4可以看出,磨削后,2#砂轮的表面只有少量金刚石磨粒,说明大部分磨粒已经在磨削过程中脱落,而且均为整颗磨料整体脱落,表面存在较多磨料脱落后留下的坑洞,尤其是在压力为1000g的情况下,磨粒脱落严重:而1#砂轮的表面虽也有磨粒脱落,但和2#砂轮相比,剩余的磨粒较多,部分磨料顶面有明显的平台,属于磨耗磨损,有少量坑洞,但不明显。这说明经过硅烷偶联剂的处理,改善了基体与磨粒的结合状态,树脂基体对金刚石磨粒的把持力增加。这就降低了砂轮的磨损率,增加了砂轮的使用寿命,降低了生产成本。

 

  将1#、3#和4#砂轮磨削后的表面进行对比,发现3#和4#砂轮表面的金刚石磨料脱落不多,没有明显的坑洞,但有部分金刚石磨料存在松动、与树脂结合不紧密的现象;少量的磨料顶面呈平台状。1#表面有较小的坑洞,但金刚石磨料与树脂均结合紧密,无松动现象。说明经过NaOH溶液预处理,增强了偶联剂的偶联效果,使树脂对磨粒的把持力进一步增大,磨粒不易松动脱落。

 

4结论

 

  (1)使用NaOH溶液和硅烷偶联剂对金刚石磨料进行处理,砂轮的磨损率显著降低,而且磨削效率基本不变。该方法可以改善金刚石与树脂基体的结合状态,增加树脂基体对金刚石磨粒的把持力,使其在磨削的过程中不易脱落,提高砂轮的磨削比。

 

  (2)1#和3#砂轮磨削比实验表明,NaOH溶液的预处理可以增强偶联剂的偶联效果,使树脂对磨粒的把持力进一步增大。

 

  (3)实验数据表明,所有砂轮的磨削效率基本不变,该处理过程对金刚石磨粒的锋利度和自锐性没有影响。

 
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