金剛石砂帶用酚醛樹脂膠粘劑的初步改性研究①

何遠程,肖樂銀,劉志環(huán),王進保

(1.桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院,廣西桂林541004;2.桂林創(chuàng)源金剛石有限公司,廣西桂林541004;3.國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心,廣西桂林541004)

1 前言

在機械、寶石、玻璃和陶瓷等行業(yè)中對硬、脆性難加工材料磨削時,常使用普通磨料棕剛玉、白剛玉、碳化硅等涂附磨具,由于普通磨料硬度低,磨料消耗量大,因而對環(huán)境污染較大,且加工效率并不理想。而新型金剛石砂帶,由于其硬度高、耐磨性好,用其來加工硬、脆性等難加工工件時,其消耗量極小,而且可以較長時間保持其鋒利度和磨具外形,這樣不僅可以保證工件的加工精度,而且提高了加工時效,同時也有效解決了對環(huán)境的污染問題,是一類新型的高效高精環(huán)保產(chǎn)品[1]。

但由于金剛石與普通磨料在性能上有很大的差別,金剛石與涂附層的粘結(jié)技術(shù)及其粘結(jié)劑本身的耐磨性、柔軟性等很難解決,從而成為金剛石砂帶發(fā)展的一個“瓶頸”,因此,必須在普通磨料砂帶研究的基礎(chǔ)上進行改性,才能得到性能優(yōu)越的金剛石砂帶。

2 實驗過程

2.1 實驗設(shè)備及磨削條件

所用磨削設(shè)備為改進型CM 6125車床,其主軸轉(zhuǎn)速范圍:63～3150 r/m in,使用NOVA W HEEL進行磨削時,轉(zhuǎn)速為1600 r/m in。電子天平型號:TP-120,最小刻度為0.01g。磨削過程中使用水作為冷卻液,其滴定速度為10m L/m in。

2.2 實驗樣品及磨削材料

本次試驗分別將四條加有不同添加劑和采用不同植砂工藝的金剛石砂帶做成四個6英寸的NOVA W HEEL,并對其進行磨削,其實物及結(jié)構(gòu)示意如圖1和圖2所示。試驗所用磨料為金剛石,型號:HHMR;粒度:280目。

圖1 金剛石柔性磨輪Fig.1 Flexible diamond grinding wheel

圖2 柔性磨輪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure sketch of flexible diamond grinding wheel

磨削對象為普通玻璃和瑪瑙,分別磨削一個小時左右,其中普通玻璃的主要成分為N a2O·CaO·6SiO2,莫氏硬度6.5,把它做成40mm×15mm×8mm的小玻璃條,以便用夾具進行夾持磨削?，旇请[晶質(zhì)的二氧化硅(SiO2),其莫氏硬度7～8。

3 實驗結(jié)果分析與討論

3.1 實驗結(jié)果

磨削玻璃和瑪瑙前后,砂帶及磨削材料的損耗量如表1、表2所示:

表1 磨削玻璃情況Table 1 Grinding glass with diamond belt

表2 磨削瑪瑙情況Tab le 2 G rinding agate with diamond belt

3.2 分散液對金剛石砂帶性能的影響

在本次試驗的Ⅱ號砂帶中加入一種納米級的A l2O3水性分散液,添加水平為0.5%～5%,由于納米A l2O3的高流動性和小尺寸效應(yīng),及表面表現(xiàn)出極強的活性,龐大的比表面欠氧使它很容易和樹脂中的氧發(fā)生鍵和反應(yīng),提高了分子間的鍵力,從而使添加納米A l2O3的酚醛樹脂復(fù)合材料的強度、韌性、延展性及耐磨性均有一定程度的提高,其耐磨性對比如圖3所示。但通過顯微鏡觀察,發(fā)現(xiàn)Ⅰ和Ⅱ號砂帶表面金剛石都有一定程度的脫落,說明粘結(jié)劑對磨料的把持力還是不夠。

圖3 分散液對金剛石砂帶耐磨性能的影響Fig.3 Influence of dispersant on wear resistant of diamond belt

3.3 鍍N i刺金剛石對砂帶性能的影響

金剛石表面鍍覆的目的是賦予金剛石以特殊的理化性能,它不僅可以提高金剛石本身的強度,同時改善了樹脂對磨料表面的潤濕性,提高了對金剛石的粘結(jié)性能,防止金剛石在磨削過程中沒有獲得充分利用而直接脫落,從而提高了砂帶的耐用度[2～3],通過磨削玻璃和瑪瑙前后,可以發(fā)現(xiàn)磨削比提高了300%以上,如圖4所示,同時,在顯微鏡下觀察,發(fā)現(xiàn)鍍N i刺的金剛石砂帶Ⅲ表面很少有金剛石脫落現(xiàn)象。

圖4 鍍N i刺金剛石對砂帶耐磨性能的影響Fig.4 Influence of Ni-coating diamond on wear resistant of diamond belt

3.4 加偶聯(lián)劑對砂帶磨削性能的改善

在本次試驗的Ⅳ號砂帶中加入了2%的TL-2偶聯(lián)劑,此偶聯(lián)劑是含鋁和鋯元素的有機絡(luò)合物的低聚物,具有良好的羥基穩(wěn)定性和水解穩(wěn)定性。其中偶聯(lián)劑能有效地提高磨料與樹脂的粘結(jié)強度,它的分子兩端通常含有性質(zhì)不同的基團,一端的基團與金剛石表面發(fā)生化學作用或者物理作用,另一端的基團則能和粘合劑發(fā)生化學作用和物理作用,從而使磨料和粘合劑能很好地偶聯(lián)起來,獲得了很好的粘結(jié),改善了多方面的性能,使耐磨性能有了很大程度的提高,如圖5所示[2]。

圖5 偶聯(lián)劑對金剛石砂帶耐磨性能的影響Fig.5 Influence of coup ling agent on wear resistant of diamond belt

3.5 植砂方式對金剛石砂帶性能的影響

本次試驗中,Ⅰ和Ⅱ號砂帶采用靜電植砂方式,而Ⅲ和Ⅳ號砂帶采用混合植砂方式,其中砂膠比都為1∶3。靜電植砂是利用高壓靜電吸附原理,使金剛石極化上吸,并按其自身長軸方向嵌入基材表面的膠層中,從而形成排列整齊、分布均勻的磨料層;而采用膠砂混合植砂方式,磨料方向不定,多為“倒伏”狀態(tài),與靜電方式相比,磨料切刃的鋒利性差,磨削效率低,磨削玻璃和瑪瑙前后磨削效率如圖6所示[4]。

圖6 不同植砂方式磨削玻璃和瑪瑙磨削效率的對比Fig.6 Comparison of efficiency for grinding glass and agate with different abrasive grain dispensing

4 結(jié)論

(1)通過對酚醛樹脂的改性和使用鍍N i刺的金剛石,發(fā)現(xiàn)金剛石砂帶的磨削性能有很大程度的提高,尤其向酚醛樹脂中添加TL-2偶聯(lián)劑和使用鍍N i刺的金剛石,其耐磨性提高了300%以上。

(2)靜電植砂的砂帶,金剛石尖刃向外,切削鋒利,在磨削玻璃和瑪瑙的過程中,磨削效率比一般混合植砂有一定程度的提高。

[1] 呂智,鄭超,等.超硬材料工具設(shè)計與制造[M].北京:中國冶金出版社,2008.

[2] 鄒文俊.有機磨具制造[M].北京:中國標準出版社,2001:94-96.

[3] 王秦生,王小軍.金剛石表面鍍層在磨具中的作用機理[J].金剛石與磨料磨具工程,2006,5(155):5-8.

[4] 黃云,朱派龍.砂帶磨削原理及其應(yīng)用[M].重慶:重慶大學出版社,2001:39-40.