氯化鈉晶體對(duì)樹(shù)脂結(jié)合劑磨片拋光性能影響的研究

鐘劍明

(泉州眾志新材料科技有限公司，福建 泉州 362000)

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)居住環(huán)境、文化水平等追求的不斷提高，高品質(zhì)、多功能、智能型的石材產(chǎn)品日益受到消費(fèi)者的追捧。在石材類(lèi)材料表面加工領(lǐng)域，傳統(tǒng)的碳化硅磨具由于加工效率低、使用壽命短、加工質(zhì)量差等缺點(diǎn)，已不能滿(mǎn)足發(fā)展需求。相比之下，樹(shù)脂金剛石磨具則更具有優(yōu)越性：具備一定的彈性、較高的結(jié)合強(qiáng)度、良好的拋光性能，并且具有硬化溫度低、制備成本較低等優(yōu)點(diǎn)，其在材料表面拋磨領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，超硬磨料與普通磨料相比具有硬度高的優(yōu)勢(shì)，其高硬度的特點(diǎn)也是決定磨料磨削性能的關(guān)鍵[1]。然而，由于樹(shù)脂結(jié)合劑的硬度低、耐熱性和導(dǎo)熱性較差、氣孔率低，加工過(guò)程中，由于磨削熱的作用，會(huì)出現(xiàn)樹(shù)脂結(jié)合劑的軟化，從而導(dǎo)致磨粒的脫落，影響了磨具的磨削效率[2]，并且使石材出現(xiàn)表面變色及粘附殘?jiān)痊F(xiàn)象，導(dǎo)致石材表面質(zhì)量差甚至使加工的石材因此而報(bào)廢。

為此，許多研究者對(duì)樹(shù)脂金剛石磨具的配方和工藝進(jìn)行了廣泛而深入的研究。蔣孝明[3]報(bào)道了一種金剛石樹(shù)脂干磨片制造技術(shù)，在不加冷卻水的情況下，加工效率及加工質(zhì)量都較水磨片要好。史林峰等[4]在樹(shù)脂金剛石磨盤(pán)中添加氧化鋁空心球，結(jié)果表明添加氧化鋁空心球可提高藍(lán)寶石的磨削效率和表面粗糙度。王建軍[5]研究了花崗巖拋光表面粗糙度與光澤度比較，結(jié)果表明用光澤度來(lái)評(píng)價(jià)花崗石磨拋表面質(zhì)量特別是高光澤度磨拋表面是具有較好的穩(wěn)定性和可信度的。段文遠(yuǎn)等[6]研究了金剛石鍍覆剛玉對(duì)樹(shù)脂結(jié)合劑磨具性能的影響，結(jié)果表明鍍覆剛玉的金剛石在體系中具備更好的把持力、鋒利性和耐磨性，具有良好的使用性能。

在樹(shù)脂磨具中，關(guān)于氯化鈉含量和粒徑對(duì)樹(shù)脂磨具性能影響的研究卻少見(jiàn)報(bào)道[7]。因此，本試驗(yàn)以石材(花崗巖)為磨拋對(duì)象，將NaCl作為造孔劑引入樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石磨具中，并探索NaCl含量和粒徑對(duì)樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石力學(xué)性能、微觀形貌和磨具性能的影響。

1 試驗(yàn)條件與過(guò)程

1.1 樣品制備

選用酚醛樹(shù)脂、氧化鈰(分析純)、氧化鋁(分析純)等原材料制成樹(shù)脂結(jié)合劑，磨料為人造金剛石微粉(3 000#)。先將結(jié)合劑和磨料混合均勻，再與不同體積分?jǐn)?shù)、粒徑的NaCl晶體見(jiàn)圖1所示(×70)混合均勻。采用熱壓成型工藝在MYS-200T油壓機(jī)上制備試驗(yàn)條(尺寸為：40 mm×10 mm×8 mm)和試驗(yàn)?zāi)テ?尺寸為：D100 mm×2.2 mm，外型見(jiàn)圖2)。配方比例如表1所示。

圖1 不同粒徑的NaCl晶體外觀照片(×70)Fig.1 Micrographs of NaCl crystals with different particle sizes(×70)

圖2 試驗(yàn)?zāi)テ現(xiàn)ig.2 Test polishing pad

表1 各試樣配比表Table 1 Composition of different samples

1.2 力學(xué)性能檢測(cè)

(1)抗折強(qiáng)度測(cè)試：將制備的試驗(yàn)條置于萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)(SANS)上測(cè)量抗折強(qiáng)度，跨距為25 mm，加載速率0.8 mm/min，每個(gè)試樣測(cè)定5次，取平均值；

(2)硬度檢測(cè)：用洛氏硬度計(jì)(HR-150A)檢測(cè)樣品的硬度HRE；

(3)光澤度測(cè)量：用光澤度測(cè)量計(jì)(WGG60-ES4)測(cè)量磨拋對(duì)象的光澤度。

1.3 微觀形貌分析

(1)用光學(xué)體式顯微鏡(GP-560H)觀察試樣磨拋后的表面形貌；

(2)用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(Nova NanoSEM 230)觀察試樣斷面中NaCl顆粒與結(jié)合劑的微觀形貌。

1.4 磨拋試驗(yàn)

用自制磨片測(cè)試機(jī)(圖3)測(cè)試試驗(yàn)?zāi)テ哪佇阅?，具體方法為：設(shè)置好磨拋過(guò)程中的技術(shù)參數(shù)，將試驗(yàn)?zāi)テ潭ㄔ谀ヮ^上，采用與石材(花崗巖，長(zhǎng)×寬×高=600 mm×30 mm×200 mm)對(duì)磨的方法，測(cè)量試驗(yàn)?zāi)テ佉欢〞r(shí)間后石材表面的光澤度。在對(duì)比試驗(yàn)過(guò)程中，先用50#、100#、500#、1000#的磨片依次在磨片測(cè)試機(jī)上對(duì)板材進(jìn)行磨拋，使石材在對(duì)比測(cè)試前的表面粗糙度盡可能一致，然后再裝上試驗(yàn)?zāi)テM(jìn)行磨拋對(duì)比測(cè)試。整個(gè)過(guò)程控制好測(cè)試過(guò)程中的水質(zhì)、水流量等參數(shù)保持一樣，以取得相對(duì)較小的誤差，磨拋工藝參數(shù)見(jiàn)表2所示。

表2 磨削試驗(yàn)工藝參數(shù)Table 2 Polishing experimental parameters

圖3 自制磨片測(cè)試機(jī)Fig.3 Self-made test machine for polishing pads

2 結(jié)論與討論

2.1 NaCl體積分?jǐn)?shù)和粒徑對(duì)試樣抗折強(qiáng)度的影響

磨具抗折強(qiáng)度反映磨具的最大彎曲應(yīng)力或彎曲極限，它是衡量磨具質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，在磨具的所有物理機(jī)械性能中，它較能正確地反映磨具磨削的性能[7]。圖4所示為添加不同體積分?jǐn)?shù)和粒徑的NaCl對(duì)試樣抗折強(qiáng)度的關(guān)系圖。由圖4可知，在體系中隨著NaCl體積分?jǐn)?shù)的增加，不同粒徑NaCl的試樣抗折強(qiáng)度均降低。其原因是NaCl作為一種填料添加在體系中，呈彌散狀分布，其粒徑較大(125～900 μm)，晶體表面與基體樹(shù)脂之間結(jié)合性較差，甚至存在著間隙或空洞等界面缺陷[8]。并且隨著其含量的增加，結(jié)合劑橋變薄[9]。真正承受拉伸應(yīng)力的基體樹(shù)脂在某一單位截面上的比例縮小，抗折強(qiáng)度下降是自然的。

圖4還可知，當(dāng)添加的NaCl體積分?jǐn)?shù)為20 %時(shí)，粒徑為125～250 μm的試樣抗折強(qiáng)度為58.0 MPa，大于粒徑為250～900 μm的抗折強(qiáng)度(約46.0 MPa)。其原因主要有三點(diǎn)：第一、填料的粒徑大時(shí)，顆粒隨基體樹(shù)脂變形的可能性就小，相互之間產(chǎn)生空洞更明顯，抗折強(qiáng)度的下降也更大。第二、當(dāng)所添加的顆粒粒徑較大時(shí)，其較難與結(jié)合劑充分混合均勻，從而產(chǎn)生應(yīng)力缺陷的概率就越大，使抗折強(qiáng)度也下降。第三、根據(jù)銀紋剪切帶理論，樹(shù)脂結(jié)合劑在受到外力作用時(shí)產(chǎn)生銀紋，顆粒填料作為應(yīng)力集中中心能產(chǎn)生銀紋來(lái)吸收切割應(yīng)力。當(dāng)添加的NaCl體積分?jǐn)?shù)的相同，粒徑大時(shí)，則顆粒數(shù)目少，則應(yīng)力集中中心也少，當(dāng)樹(shù)脂結(jié)合劑受到外力作用時(shí)更易產(chǎn)生銀紋，就更易發(fā)生斷裂[8]。

圖4 不同體積分?jǐn)?shù)和粒徑的NaCl對(duì)試樣抗折強(qiáng)度的影響Fig.4 Effects of NaCl with different volume fraction and grain size on strength of samples

2.2 NaCl體積分?jǐn)?shù)和粒徑對(duì)試樣硬度的影響

磨具的硬度是指磨粒在外力作用下從磨具表面脫落的難易程度。它是衡量磨具質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，在磨具的所有物理機(jī)械性能中，它比較能正確反映磨具的磨削性能[7]。一般而言，硬度高的磨具，磨料難于脫落，自銳性較差，硬度低的磨具，磨料容易脫落，自銳性較好[10]。圖5為添加不同體積分?jǐn)?shù)和粒徑的NaCl對(duì)試樣硬度的影響。由圖5可知，隨著NaCl含量的增加，3種粒徑的NaCl試樣的硬度均下降。其原因是由于NaCl的自身硬度低(摩爾硬度2.5)，并且其粒徑較大與基體樹(shù)脂之間結(jié)合性較差。因此，添加NaCl晶體后硬度降低。當(dāng)添加的晶體粒徑越大時(shí)，界面上易產(chǎn)生間隙或空洞，晶體與基體的界面結(jié)合性進(jìn)一步降低，使試樣條的硬度降低。所以，當(dāng)添加的NaCl粒徑越大，其對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)條硬度越低。

圖5 不同體積分?jǐn)?shù)和粒徑的NaCl對(duì)試樣硬度的影響Fig.5 Effects of NaCl with different volume fraction and grain size on hardness of samples

2.3 不同粒徑的NaCl在試樣組織結(jié)構(gòu)中的形貌

為了解NaCl在試樣中的微觀形貌，分別用光學(xué)顯微鏡和電子掃描顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行觀察分析。圖6為添加不同粒徑NaCl在添加體積分?jǐn)?shù)同為20 %時(shí)的試驗(yàn)?zāi)テハ骱笤诠鈱W(xué)顯微鏡下(X70)的表面形貌，從圖6中可觀察到表面有均勻分布的氣孔，所添加的NaCl粒徑越小，其試驗(yàn)?zāi)テ臍饪滓苍叫?。相?duì)空心球造孔劑而言，NaCl是一種實(shí)心造孔劑，對(duì)成型壓力受限較小，從而增大了其應(yīng)用范圍。而相對(duì)其他溶解性造孔劑，如(NH4)2SO4、CACL2、尿素等，其造孔皆為小孔，氣孔尺寸可調(diào)性差，NH4HCO3造孔雖有一定的大孔徑氣孔，但很難真正實(shí)現(xiàn)對(duì)氣孔孔徑的控制。而NaCl作為一種較規(guī)則的晶體，不同粒度的NaCl容易獲得，氣孔的尺寸較一致、均勻，可以實(shí)現(xiàn)氣孔的可調(diào)性。此外，在圖中觀察到了小部分未溶解的NaCl，并且可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)NaCl粒徑越小時(shí)，孔徑的均勻性和氣孔的分布均勻性也越好，磨削面存留下來(lái)的NaCl也越少。這是由于NaCl具有較強(qiáng)的溶解性，在磨削過(guò)程中遇水溶解后在原處產(chǎn)生氣孔，起到造孔的效果。當(dāng)環(huán)境條件不變時(shí)，固體顆粒的大小決定了固體與水的接觸面積的大小，這也能決定溶解速度的大小。固體顆粒越小，其表面自由能就大，與水的接觸面積越大，溶解速率也越大。因此，NaCl粒徑越小時(shí)，在磨削面存留下來(lái)的NaCl也越少。此外，這些氣孔使磨具在磨拋過(guò)程中起了容屑和排屑能力，從而大幅度提高了樹(shù)脂磨具的鋒利性和自銳性[4]。

圖6 添加不同粒徑NaCl的試驗(yàn)?zāi)テハ骱蟮谋砻嫘蚊?×70)Fig.6 The surface morphology of test polishing pads with different NaCl particle size after grinding(×70)

圖7是粒徑為 250～500 μm的NaCl在斷面中的SEM圖，從圖中可以觀察到一顆方形的晶體(邊長(zhǎng)約為300 μm)，晶體與結(jié)合劑的界面清晰、明顯，說(shuō)明在此狀態(tài)下的NaCl與結(jié)合劑結(jié)合得較好。綜上，NaCl的加入可以使樹(shù)脂磨具在使用過(guò)程中產(chǎn)生均勻的氣孔，并且這些氣孔的大小和數(shù)量可控，是一種操作簡(jiǎn)便，成本低廉、效果理想的造孔材料。

圖7 250～500 μm的NaCl在斷面中的SEM形貌Fig.7 SEM images of NaCl with 250-500μm size in polishing pad fracture

2.4 NaCl顆粒對(duì)磨拋性能的影響

根據(jù)表1的配方比例選取1#、2#、4#、5#、7#、8#制作試驗(yàn)?zāi)テ?，并按照配?#制作對(duì)比磨片。通過(guò)磨片測(cè)試機(jī)進(jìn)行實(shí)際磨削試驗(yàn)，測(cè)試出加工板材的光澤度，其結(jié)果見(jiàn)表3所示。

表3 磨削試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Polishing test data

由表3可看出，添加NaCl后的樹(shù)脂金剛石磨片在拋光過(guò)程中表現(xiàn)出良好的拋光效果，其光澤度均比未添加NaCl的樣品0#的高10度以上，均達(dá)到80度以上，符合行業(yè)對(duì)商用花崗巖鏡面板材標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定的要求。其原因可能是由于所添加的NaCl為磨具的拋光過(guò)程提供了大量的氣孔，提高了容屑、排屑能力，增強(qiáng)了金剛石在拋光過(guò)程中的出刃，有效地避免了金剛石在使用過(guò)程中出現(xiàn)的鈍化現(xiàn)象，提高了金剛石磨具的磨削力，使磨具表現(xiàn)出良好的表面加工效果。相對(duì)空心球造孔而言，如3M空心微球、高分子空心球，這些造孔劑密度小、壁薄、強(qiáng)度較低，不易與其他原材料混合均勻，而且在成型過(guò)程中壓力大時(shí)容易破碎。而NaCl作為一種實(shí)心的造孔劑，其對(duì)成型壓力基本沒(méi)限制，不會(huì)因成型壓力過(guò)大而壓破造孔劑。Al2O3空心球雖然其形狀較均勻、粒度可控、強(qiáng)度高，但是由于空心球壁厚，并且Al2O3強(qiáng)度高，其在拋光過(guò)程中容易劃傷石材表面，造成劃痕。而NaCl的硬度相對(duì)低，不存在這些問(wèn)題。因此，選用NaCl晶體來(lái)造孔的方法操作簡(jiǎn)便、成本低廉，能有效改善加工對(duì)象的表面質(zhì)量。

3 結(jié)論

在樹(shù)脂磨具中加入不同體積分?jǐn)?shù)、不同粒徑的NaCl晶體，并進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試、微觀形貌觀測(cè)和實(shí)際磨拋試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

(1)在試樣中加入NaCl后，其抗折強(qiáng)度和硬度均降低。其中，當(dāng)添加的NaCl體積分?jǐn)?shù)為20 %時(shí)，粒徑為125～250 μm的試樣抗折強(qiáng)度為58.0 MPa，大于粒徑為250～900 μm的抗折強(qiáng)度(約46.0 MPa)。因此，當(dāng)添加的NaCl粒徑越大時(shí)，試樣的硬度降低。

(2)NaCl的加入可以使樹(shù)脂磨具在使用過(guò)程中產(chǎn)生均勻的氣孔，并且這些氣孔的大小和數(shù)量可控，是一種操作簡(jiǎn)便，成本低廉、效果理想的造孔材料。

(3)用NaCl造孔后的樹(shù)脂磨具能明顯地提高加工對(duì)象的表面磨拋效果。當(dāng)粒徑為250～500 μm，添加體積分?jǐn)?shù)為20 %時(shí)，磨拋后的石材表面具有最佳效果，光澤度達(dá)到85度。