不銹鋼打磨砂帶用酚醛樹脂關(guān)鍵參數(shù)測試與分析

邢 波, 趙金墜, 宋運運, 馮克明, 陳學(xué)斌, 任冠青, 馮兵強, 安坤華

(1. 國家磨料磨具質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心, 鄭州450001)(2. 國家磨料磨具產(chǎn)業(yè)計量測試中心(籌), 鄭州450001)(3. 白鴿磨料磨具有限公司, 鄭州450199)

砂帶作為一種特殊結(jié)構(gòu)的磨削工具，是由大量垂直定向排列的磨粒黏附在撓性基體表面而制成的多刃切削工具[1]。與其他磨削工具相比，因其具有獨特的磨粒姿位、良好的磨粒等高性以及較大的容屑空間等特點，使得其在磨削過程中的磨削效率高、磨削溫度低、工件表面磨削質(zhì)量好、磨削成本低等，因而被廣泛于艦船、航空等軍工領(lǐng)域，以及與生活息息相關(guān)的木材家具、廚房刀具等民生領(lǐng)域中[2]。

酚醛樹脂是由一定比例的苯酚和甲醛在催化劑作用下進(jìn)行縮聚反應(yīng)而生成的熱固性樹脂，具有良好的黏接性和耐熱性、較高的強度和適中的韌性等，是當(dāng)前砂帶制作中應(yīng)用最廣泛的樹脂黏結(jié)劑[3]。

盡管國內(nèi)砂帶用酚醛樹脂的性能進(jìn)步迅速，但在高性能砂帶產(chǎn)品上，國外產(chǎn)品仍占據(jù)著重要位置。近年來，國內(nèi)外研究人員對酚醛樹脂性能提升及其應(yīng)用的探索仍在繼續(xù)，主要體現(xiàn)在樹脂改性[4-7]、布基材料匹配[8]以及用其制作的砂帶磨削性能[9-11]研究等方面，對酚醛樹脂關(guān)鍵參數(shù)的綜合影響研究較少。目前，酚醛樹脂的性能測試參數(shù)主要有水溶性、黏度、固含量、凝膠時間、游離酚和游離醛等基礎(chǔ)物理化學(xué)參數(shù)，但在實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，即使這些基礎(chǔ)參數(shù)指標(biāo)非常接近，砂帶的磨削性能仍差距較大，原因在于這些指標(biāo)并不能全面衡量砂帶的磨削性能。因此，全面跟蹤酚醛樹脂的物理化學(xué)性能、力學(xué)性能以及用其制作的砂帶磨削性能，探究酚醛樹脂基礎(chǔ)性能、力學(xué)性能與砂帶磨削性能的內(nèi)在關(guān)系，以期提高砂帶的生產(chǎn)及應(yīng)用水平。

1 樹脂原材料及砂帶制作、性能測試

1.1 樹脂及性能測試

表1列出了型號為PF-P211A，PF-P211B，PF-P214A，PF-P214B的4種酚醛樹脂(編號為1#，2#，3#和4#)的基礎(chǔ)參數(shù)，表1中的4種樹脂的固含量、黏度、pH值和水溶性等指標(biāo)相同或基本接近。

表1 酚醛樹脂基礎(chǔ)參數(shù)Tab. 1 Basic parameters of phenolic resins

對酚醛樹脂進(jìn)行熱重測試時，先采用相同固化工藝[12]對4種酚醛樹脂進(jìn)行固化，再在空氣氛圍下，借助STA449F3 Jupiter同步熱分析儀，采用升溫速率為10 K/min的溫度曲線從室溫升至750 ℃，分別對4種酚醛樹脂進(jìn)行測試。

沖擊強度是在沖擊載荷作用下樣條折斷或折裂時單位界面積所吸收的能量，其可以表征樹脂固化后的韌性程度，是評價樹脂韌性的關(guān)鍵指標(biāo)[3]。在測試時，先將4種樹脂在相同的固化工藝下進(jìn)行固化(固化工藝同熱重分析)，獲得長寬高分別為50.0 mm×6.0 mm×5.0 mm的樣條，然后采用XJJ-50D電子擺錘式?jīng)_擊試驗機分別測試其抗沖擊強度。

1.2 砂帶制作

砂帶性能受磨料、樹脂、布基以及制作工藝等多種因素的影響。為準(zhǔn)確測試4種酚醛樹脂砂帶性能，在相同的磨料及濃度、布基和制作工藝下制作砂帶。砂帶制作流程如下：

(1)布基選擇。為適應(yīng)不銹鋼高效磨削需求，保證砂帶的布基強度，試驗選擇強度更高的Y型B11聚酯纖維布，經(jīng)過合成膠乳漿料處理，獲得徑向斷裂強度為700 N/cm，緯向斷裂強度為100 N/cm的布基。

(2)磨料選擇。被磨削工件為不銹鋼，選擇韌性較高的煅燒鋯剛玉磨料，鋯剛玉磨料型號為ZA25，其粒度代號為P40。

(3)砂帶制作流程[13]：酚醛樹脂→調(diào)膠劑→攪拌→靜置→涂底膠→靜電植砂→半固化→冷卻→刮涂復(fù)膠→干燥→固化→揉曲→砂帶成品。制作的砂帶成品如圖1所示。

圖1 砂帶成品Fig. 1 Finished product of abrasive belt

1.3 砂帶剝離強度測試

沿成品砂帶的徑向方向裁剪樣條(寬度≥70 mm、長度≥100 mm)，使用專用雙組分環(huán)氧膠黏劑將樣條砂面向下黏接在表面平整的鐵板上，鐵板尺寸為150 mm×100 mm×5 mm，上下用膠帶固定，放入(110±5) ℃烘箱中固化2 h，取出后冷卻至室溫；將冷卻后的樣條左右膠邊切掉，確保待測樣條的有效寬度為50 mm，長度為150～200 mm。為拉力機夾持方便，沿樣條長度方向一頭預(yù)剝離20 mm以上，再夾持在Zwich-1435拉力機上進(jìn)行剝離測試，記錄其寬度方向全剝離時的最大拉力值，將最大拉力值除以砂帶樣條寬度即為砂帶的剝離強度，每種砂帶重復(fù)測試3次，取平均值為最終結(jié)果。

1.4 砂帶磨削性能測試

將成品砂帶搭接成2 100 mm×50 mm的環(huán)狀砂帶，用于砂帶磨削性能測試。工件材質(zhì)為304不銹鋼棒，尺寸為φ30 mm×200 mm。砂帶磨削試驗示意圖和現(xiàn)場圖如圖2所示，磨削試驗條件見表2。測試時采用精度為0.1 g的電子天秤分別稱量磨前磨后的砂帶和工件質(zhì)量，記錄砂帶脫砂量、工件磨除量，計算砂帶的磨削比和磨削效率。采用DiaInspect-OSM電子顯微鏡觀察磨削后砂帶表面形貌，并用Time 3230粗糙度儀測試磨后工件表面粗糙度。為提高測試結(jié)果可靠性，每件工件磨削6 min，連續(xù)磨削3次，取平均值為最終結(jié)果。

(a)示意圖(b)現(xiàn)場圖Schematic diagram Field diagram圖2 砂帶磨削試驗示意圖與現(xiàn)場圖Fig. 2 Schematic and field diagram of abrasive belt grinding test

表2 砂帶磨削試驗條件Tab.2 Testing conditions of abrasive belts grinding

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 樹脂熱重分析

圖3為4種酚醛樹脂固化后樣品測試的TG曲線。表3是TG分析結(jié)果，其中表3中700 ℃時的質(zhì)量損失率是100%減去圖3中相應(yīng)溫度下剩余質(zhì)量分?jǐn)?shù)所得。從圖3和表3可以看出：溫度為25～400 ℃時，4種酚醛樹脂失重差別不大，主要是一些小分子氣體的物理逸出過程；400～500 ℃時，酚醛樹脂開始緩慢裂解；500～700 ℃時，酚醛樹脂快速裂解。其中，3#樹脂耐熱性較低，501 ℃即開始快速裂解，直至595 ℃分解終止。這是由于3#樹脂中分子鏈的聚合度較小，聚合度小的分子鏈耐熱性低所致；4#樹脂在539 ℃時開始快速分解，694 ℃時分解終止。由于4#樹脂中分子鏈的聚合度較大，因而熱力學(xué)性能較好。1#和3#樹脂分解溫度區(qū)間較窄，且燒剩物較多，表明兩者雜質(zhì)含量高，雜質(zhì)的存在降低了樹脂的終止分解溫度，繼而影響樹脂的力學(xué)性能。

圖3 樹脂熱重曲線Fig. 3 TG curves of phenolic resin

表3 樹脂熱重分析結(jié)果

2.2 樹脂沖擊強度分析

圖4是4種酚醛樹脂在相同固化工藝下制作的樣條沖擊強度測試結(jié)果。由圖4可知：4種酚醛樹脂樣條的沖擊強度基本接近，都在2.34～2.76 kJ/m2。其中，4#樹脂的沖擊強度最高，為2.76 kJ/m2，分別比1#，2#，3#樹脂樣條的沖擊強度值高出10.0%，17.9%和14.5%，說明4#樹脂的韌性最好，其次是1#樹脂的，最后是3#和2#樹脂的。這是由于2#和3#酚醛樹脂的網(wǎng)絡(luò)鏈太短，其鏈接扭轉(zhuǎn)空間太小，不利于外力作用下的應(yīng)變，且能吸收的沖擊能較小。同時，4#樹脂可通過外增韌或內(nèi)增韌方式，如加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的丁橡膠或2.0%的氨基硅烷[14]外部增韌劑，或者加入γ-縮水甘油醚基丙基三甲基硅烷、四乙氧基硅烷等內(nèi)部增韌劑[15]，在提高酚醛樹脂沖擊強度的同時，還可提高其韌性。

圖4 4種酚醛樹脂樣條的沖擊強度Fig. 4 Impact strength of four phenolic resin splines

2.3 砂帶剝離強度分析

剝離強度是表征樹脂與基布黏接強度的關(guān)鍵指標(biāo)。一般而言，剝離強度越高，樹脂與布基黏結(jié)越好，磨削時磨料和黏結(jié)劑與布基之間不易翹皮或成塊脫落。圖5是4種砂帶樣品的剝離強度測試結(jié)果。從圖5可看出：4#樹脂砂帶樣品的剝離強度最高為80.0 N/cm，與1#，2#，3#砂帶的剝離強度值相比，分別高出1.8%，8.1%和8.7%。說明4#酚醛樹脂與布基的黏接力最強，其次是1#酚醛樹脂的，最后是2#和3#酚醛樹脂的。主要原因在于，試驗采用了相同的合成膠乳漿料涂覆布面，使?jié){料滲透到織物內(nèi)部，填充纖維間隙，同時覆蓋布基的漿料在布基表面形成一層光滑而堅韌的薄膜。分別用4種樹脂涂覆布基時，相對于其他3種酚醛樹脂，4#樹脂與漿料薄膜的相容性更好，黏接強度更高，因此在剝離拉伸過程中，4#酚醛樹脂制作的砂帶樣品的剝離強度最高。

圖5 4種酚醛樹脂制作的砂帶剝離強度Fig. 5 Peeling strength of abrasive belt prepared for four phenolic resin

2.4 砂帶磨削比與磨削效率

砂帶磨削比G是工件材料磨除量Δmw與砂帶磨損量Δms之比。一般而言，磨削比越高，砂帶磨粒切除的工件材料越多，表明酚醛樹脂對磨粒的黏接力越大，砂帶磨削壽命就越長。砂帶磨削效率η是指工件材料磨除量Δmw與砂帶單位磨削時間t之比。磨削效率越高，表明砂帶單位時間磨除工件的能力越強，這就意味著砂帶越鋒利。因此，磨削比和磨削效率是表征砂帶磨削性能的重要指標(biāo)。

圖6是表2條件下的4種樹脂砂帶的磨削比和磨削效率。從圖6可以看出：4#砂帶磨削比和磨削效率最高，分別為79.5和11.7 g/min，而3#砂帶磨削比和磨削效率最低，分別為60.3和9.2 g/min，前者比后者分別高出了31.8%和27.2%。其他2個樹脂砂帶的排序為1#>2#。這是因為相比于其他3種砂帶，4#砂帶在磨削熱的作用下，固化的樹脂熱穩(wěn)定性較高，樹脂分解失重較少，進(jìn)而對磨粒結(jié)合強度更高，這也與表3的測試結(jié)果一致；再者，4#樹脂與磨粒的浸潤性更好，與磨料黏接能力更強，磨粒切除工件材料時能經(jīng)受的磨削力也更高，故4#樹脂砂帶的磨粒不易過早脫落，其磨削比和磨削效率較高。

圖6 4種酚醛樹脂制作砂帶的磨削比與磨削效率Fig. 6 Grinding ratio and efficiency of abrasive belt prepared for four phenolic resin

2.5 工件表面粗糙度

粗糙度Ra是機械加工過程中工件表面形成的微觀幾何形狀特征算術(shù)平均偏差，是表征工件機械加工表面質(zhì)量最常用的參數(shù)之一。圖7是4種酚醛樹脂制作的砂帶在表2參數(shù)下磨削后工件的表面粗糙度值。從圖7可以看出：4#砂帶磨削后工件的表面粗糙度Ra最低，為3.382 μm，分別比1#，2#，3#砂帶磨削后的工件表面粗糙度Ra值降低了6.7%，12.0%，27.6%。通常來說，砂帶磨粒粒度和密度是影響磨削表面粗糙度的主要因素，試驗中的4種樹脂砂帶所采用的磨料粒度和濃度一致，那么磨削后的工件表面粗糙度Ra應(yīng)該相差不大。但實際上，不銹鋼材料韌性大、塑性高，在磨削熱作用下，磨料與切屑間極易產(chǎn)生親和現(xiàn)象，導(dǎo)致磨粒黏附嚴(yán)重；黏附于砂帶表面的磨屑可在一定程度上改變磨粒切削刃微觀幾何形態(tài)，增加其與工件之間的接觸面積，使切削力急劇增大，迫使磨料過早脫落，進(jìn)而減少切削的有效磨粒數(shù)，使工件表面粗糙度上升。相應(yīng)地，4#樹脂熱穩(wěn)定性更好，樹脂與磨粒結(jié)合力較強而不易脫落，參與切削的有效磨粒更多，所以4#樹脂砂帶磨削后的工件表面粗糙度最低。

圖7 4種砂帶磨削后的工件表面粗糙度Fig. 7 Surface roughness of workpiece ground by four abrasive belts

2.6 砂帶表面形貌

圖8是4種樹脂砂帶在表2參數(shù)下磨削后的表面形貌。

(a)1#(b)2#(c)3#(d)4#圖8 4種酚醛樹脂制作的砂帶磨削后表面形貌Fig.8 Surface morphology of abrasive belts made of four phenolic resins after grinding

由圖8可以看出：4種砂帶磨削后表面主要存在不同程度的磨粒磨耗、磨屑堵塞及磨粒頂端磨屑黏附及磨粒脫落等。圖8a和圖8b中的砂帶表面的磨粒形成了明顯的磨耗平臺，且磨屑填充、黏附在磨粒之間的容屑空間內(nèi)。特別是部分磨屑黏附在磨粒頂端表面，使磨料難以發(fā)揮切削作用。這類黏附可在后續(xù)磨削過程中擴大，致使磨粒頂端發(fā)生破碎，甚至迫使還未完全發(fā)揮作用的磨?！斑z憾”脫落。毫無疑問，磨屑黏附使磨削過程中的磨削力增大和磨削溫度升高，影響了工件表面質(zhì)量，加劇了砂帶磨損。圖8c除了存在圖8a和8b中的上述現(xiàn)象外，還存在磨粒脫落孔隙，并且具有明顯的樹脂脆性斷裂痕跡。圖8d的砂帶表面磨粒雖然有不同程度磨損，但磨粒頂端幾乎無磨屑黏附，磨粒還保持一定的切削能力，這恰恰證實了4#樹脂制作的砂帶磨削比和磨削效率較高。

3 砂帶磨削性能與樹脂基本特性的關(guān)聯(lián)分析

砂帶的磨削性能主要受砂帶原材料性能、制作工藝以及磨削條件影響。試驗選用的4種樹脂在固含量、黏度、pH值和水溶性等指標(biāo)上基本相同，同時用其制作砂帶時選用的磨料類型及含量一致，但在同樣制作工藝和磨削條件下，制作的砂帶磨削性能差異較大。說明樹脂現(xiàn)有的固含量、黏度、pH值和水溶性等4種基礎(chǔ)特性指標(biāo)與砂帶磨削性能無直接關(guān)聯(lián)性。結(jié)合樹脂的熱分析和沖擊強度分析，4#樹脂的分子聚合度較大，且起始分解溫度稍高，雜質(zhì)含量較少，沖擊強度較高；同時，用其制作的砂帶剝離強度較高，磨削比和磨削效率高，工件表面粗糙度較低，砂帶磨后的表面形貌較好。因而，酚醛樹脂的熱重、沖擊強度分析和砂帶的剝離強度等指標(biāo)與磨削性能正相關(guān)。所以，在實際生產(chǎn)中，通過對酚醛樹脂的熱性能、沖擊強度和砂帶的剝離強度等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)磨削性能不佳的酚醛樹脂，進(jìn)而可減少試錯成本，提升產(chǎn)品研發(fā)效率及質(zhì)量。

4 結(jié)論

選用固含量、黏度、pH值和水溶性等基礎(chǔ)參數(shù)基本相同的4種酚醛樹脂液，對其進(jìn)行熱重分析和沖擊強度測試；在同等工藝下制備砂帶樣品，并在同樣條件下對其進(jìn)行剝離強度和磨削性能測試。得出如下結(jié)論：

(1)4種酚醛樹脂的起始分解溫度為501～539 ℃，終止分解溫度為 595～694 ℃ ，分解溫度區(qū)間為 90～155 ℃，700 ℃時的質(zhì)量損失率為91.8%～96.6%，這些性能差異是由樹脂中分子鏈的聚合度差異、燒剩物含量不同等引起的。樹脂聚合度較大，燒剩物含量較少，雜質(zhì)含量較低，則其熱力學(xué)性能較好。

(2)4種酚醛樹脂中，4#樹脂樣品的沖擊強度在2.34～2.76 kJ/m2，而4#樹脂的沖擊強度最高，分別比1#，2#，3#樹脂的高出10.0%，17.9%和14.5%，此時該樹脂韌性更好。

(3)4種樹脂砂帶樣品中，4#砂帶的最高剝離強度分別1#，2#，3#砂帶的高出1.8%，8.1%和8.7%，剝離強度高表明酚醛樹脂與布基黏結(jié)力強。

(4)4種樹脂砂帶中，4#砂帶的磨削比和磨削效率比最低的分別高出31.8%和27.2%。與砂帶磨削性能相對應(yīng)，4#砂帶磨削后的工件表面粗糙度Ra最低，為3.382 μm，分別比1#，2#，3#砂帶的降低了6.7%，12.0%和27.6%。

(5)在磨削不銹鋼材質(zhì)時，砂帶磨削失效的主要形式為磨粒磨耗、磨屑嚴(yán)重堵塞容屑空間、磨粒頂端磨屑黏附以及磨粒脫落等。

(6)酚醛樹脂的熱分析、沖擊強度和用其制作的砂帶剝離強度與砂帶磨削性能正相關(guān)。在實際生產(chǎn)中，提前進(jìn)行酚醛樹脂熱分析、沖擊強度和砂帶剝離強度測試，有利于降低試錯成本，提升產(chǎn)品研發(fā)效率及質(zhì)量。