硫酸鈣晶須增強(qiáng)的樹脂磨片磨削性能

摘要 為探究硫酸鈣晶須增強(qiáng)填料對(duì)樹脂結(jié)合劑磨片的增強(qiáng)效果，采用熱壓成形方法制備實(shí)驗(yàn)樣條及樹脂磨片，探究不同晶須長(zhǎng)度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)樣條硬度、抗彎強(qiáng)度及微觀結(jié)構(gòu)的影響，并研究磨片對(duì)人造花崗石的磨削性能。結(jié)果表明：晶須質(zhì)量分?jǐn)?shù)不變，隨著晶須長(zhǎng)度增加，樣條的抗彎強(qiáng)度降低，硬度基本保持不變；晶須長(zhǎng)度不變，隨著晶須質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，樣條的抗彎強(qiáng)度呈先增加后基本不變的趨勢(shì)；使用磨片對(duì)人造花崗石進(jìn)行磨削，當(dāng)硫酸鈣晶須的長(zhǎng)度為10～60 μm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10% 時(shí)，樹脂磨片具有最優(yōu)的耐磨度1.973 min/%，同時(shí)具有良好的鋒利度76.8 cm3/min。

關(guān)鍵詞 硫酸鈣晶須；樹脂結(jié)合劑；金剛石磨片；抗彎強(qiáng)度；耐磨性

中圖分類號(hào) TQ164; TG58; TG74 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A文章編號(hào) 1006-852X（2023）04-0474-08

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0223

收稿日期 2022-12-19 修回日期 2023-02-02

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民居住環(huán)境和消費(fèi)水平的提高，消費(fèi)者對(duì)石材產(chǎn)品質(zhì)量的要求也越來越高。金剛石樹脂磨具作為金剛石磨具中使用量較大的一類[1]，在石材加工領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。金剛石樹脂磨具相對(duì)于金屬、陶瓷等結(jié)合劑磨具，具有磨削熱小、自銳性高以及磨削效果好等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在著耐熱性差、消耗快等缺點(diǎn)。這是由于樹脂結(jié)合劑強(qiáng)度較低，且磨削熱會(huì)對(duì)樹脂結(jié)合劑的黏結(jié)性能產(chǎn)生破壞，減小其對(duì)金剛石的把持力，從而降低金剛石的利用效率[2]。

針對(duì)這些問題，相關(guān)學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了一系列的探索。葉曉川等[3] 使用經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑處理的金剛石為磨料制備樹脂砂輪，可有效增加樹脂對(duì)金剛石磨粒的把持力，提高砂輪的磨削比。段文遠(yuǎn)等[4] 測(cè)試了不同填料對(duì)聚酰亞胺樹脂砂輪磨削性能的影響，結(jié)果表明適量加入合金粉及冰晶石粉末可提高砂輪的耐磨性。王曉芳等[5] 使用鈦酸鉀晶須對(duì)酚醛樹脂進(jìn)行了改性處理，適量加入鈦酸鉀晶須可改善試樣的摩擦系數(shù)和熱穩(wěn)定性。余家國等[6] 通過在金剛石表面鍍覆金屬來提高樹脂磨具的耐磨性，經(jīng)測(cè)試鍍鎳金剛石樹脂砂輪的耐磨性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通金剛石樹脂砂輪，且多次鍍鎳后效果更佳。

但目前的改進(jìn)方法存在2 個(gè)主要問題：一是磨具耐磨性的提高往往伴隨著其鋒利度的降低；二是改性材料價(jià)格高、經(jīng)濟(jì)性差，難以用于工業(yè)化生產(chǎn)。因此，選用硫酸鈣晶須為改性材料。硫酸鈣晶須是一種具有二維結(jié)構(gòu)的輔助增強(qiáng)材料，具有結(jié)晶度好、機(jī)械強(qiáng)度高、耐高溫、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定以及與聚合物親和力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[7]，且其價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于碳化硅晶須以及鈦酸鉀晶須的，具有極高的性價(jià)比，是一種性能優(yōu)良、價(jià)格低廉的綠色環(huán)保材料。目前，硫酸鈣晶須作為輔助增強(qiáng)摩擦材料已經(jīng)在眾多領(lǐng)域應(yīng)用，但在超硬磨具尤其是在樹脂超硬磨具中使用的報(bào)道較少。為此，擬將硫酸鈣晶須引入樹脂結(jié)合劑磨片的配方中，以人造花崗石為磨削對(duì)象，使用自制測(cè)試機(jī)進(jìn)行磨片的磨拋測(cè)試，探究不同尺寸的晶須以及不同的晶須添加量對(duì)磨片鋒利度以及耐磨性的影響，并確定合適的配方比例。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)的主要原料

實(shí)驗(yàn)采用熱壓工藝制作測(cè)試樣條， 樣條尺寸為40 mm × 10 mm × 8 mm；尺寸為100.0 mm× 2.5 mm 的樹脂磨片見圖1。樣條及磨片胎體中的樹脂結(jié)合劑為酚醛樹脂（工業(yè)級(jí)），磨料為金剛石及綠碳化硅。金剛石磨料是粒度代號(hào)為140/170 的細(xì)粉末（俗稱的“一型破碎料”），其基本顆粒尺寸為80～125 μm，微觀形貌如圖2 所示。綠碳化硅磨料由粒度代號(hào)為F240 與粒度代號(hào)為J3000 的細(xì)粉末組成。增強(qiáng)填料為硫酸鈣晶須（上海峰竺新材料科技有限公司生產(chǎn)），測(cè)試中使用的幾種硫酸鈣晶須尺寸見表1。

1.2 試樣壓制及性能表征方法

使用激光粒度分布儀對(duì)酚醛樹脂粉末粒度進(jìn)行分析，以探究硫酸鈣晶須與酚醛樹脂合適的粒徑比例。使用三維混料機(jī)進(jìn)行混料（將樹脂粉及磨料混合3 h后，加入硫酸鈣晶須繼續(xù)混合30 min）。使用油壓機(jī)壓制測(cè)試用樣條及磨片，油壓機(jī)的上下板溫度分別為150 ℃和160 ℃，壓制過程是在壓板壓力為36 kN 時(shí)壓制2 min，放氣0.5 s，再在107 kN 下壓制7 min，后進(jìn)行脫模并冷卻至室溫。在此條件下，壓制的不同晶須及含量的樣條及磨片配方見表2，配方中使用的F240 與J3000 碳化硅的質(zhì)量比為1∶4。

使用自制的磨片測(cè)試機(jī)對(duì)磨片的鋒利度以及耐磨性進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試機(jī)實(shí)物見圖3，測(cè)試機(jī)具體數(shù)據(jù)見表3。具體測(cè)試方法為：將磨片粘接在實(shí)驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)頭上，將磨片與石材（人造石尺寸為800 mm × 20 mm × 400 mm）的800 mm × 20 mm 面對(duì)磨，磨拋一段時(shí)間后測(cè)試磨片消耗的體積分?jǐn)?shù)以及石材的磨損體積分?jǐn)?shù)。將每分鐘消耗的磨片體積分?jǐn)?shù)的倒數(shù)設(shè)定為磨片的耐磨度，單位為min/%；石材每分鐘的磨損體積（磨損體積=磨損高度 × 石材磨削面截面積）設(shè)定為磨片的鋒利度，單位為cm3/min。

使用洛氏硬度計(jì)測(cè)試樣條硬度；使用萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)樣條的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試；使用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)樣條的斷面進(jìn)行掃描，分析其表面形貌；使用能量色譜儀對(duì)樣條的斷面元素進(jìn)行分析；使用3D 電子顯微鏡對(duì)磨片的磨削面進(jìn)行掃描，觀察磨削面的形貌。實(shí)驗(yàn)過程中使用的儀器設(shè)備具體參數(shù)見表4。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 對(duì)樣條抗彎強(qiáng)度的影響

三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度是反映材料抵抗彎曲不斷裂的能力。在磨具高速磨削過程中，往往伴隨著缺陷的出現(xiàn)，材料良好的抗彎強(qiáng)度可以避免缺陷產(chǎn)生以及抵抗缺陷擴(kuò)展，是判定磨具是否具有良好使用性能以及安全性能的一個(gè)重要指標(biāo)。對(duì)4 種不同型號(hào)晶須壓制的樣條的抗彎強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，其結(jié)果見圖4，其中0#測(cè)試樣品為未添加晶須的空白樣。由圖4 可知：在0#～4# 5 種樣條中，不同型號(hào)硫酸鈣晶須的加入均起到了提高抗彎強(qiáng)度的效果，且隨著硫酸鈣長(zhǎng)度范圍縮?。ㄒ姳?），樣條的抗彎強(qiáng)度逐漸提高，增韌效果增強(qiáng)，4#樣品的抗彎強(qiáng)度最高達(dá)到了82.49 MPa。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是：晶須的增韌效果主要是通過輔助能量的傳遞實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)材料受到外界應(yīng)力作用時(shí)，應(yīng)力通過基體首先傳遞到晶須上，再由晶須輔助增強(qiáng)的一個(gè)區(qū)域傳遞到另一個(gè)區(qū)域，也就是說晶須分散了基體所承受的大部分應(yīng)力。另外，當(dāng)裂紋折斷晶須或者是繞過晶須時(shí)，都會(huì)延長(zhǎng)裂紋路徑，從而吸收大量的斷裂能[8]。但復(fù)合材料強(qiáng)度提高，能量有效傳遞，都需要晶須具有適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度以及與樹脂基體牢固的黏結(jié)力。

使用抗彎強(qiáng)度最好的晶須型號(hào)4，進(jìn)行不同晶須質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的樣條抗彎強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果見圖5。從圖5中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)晶須質(zhì)量分?jǐn)?shù)從5% 增大到15% 時(shí)，對(duì)應(yīng)的樣條編號(hào)分別為0#、5#、6#、7#、4#和8#，其抗彎強(qiáng)度增加，一直增大到20%（4#樣條）時(shí)基本維持不變，但增大到30%（8#樣條）時(shí)開始降低。這是因?yàn)橄胍@得較好的力學(xué)性能，需要調(diào)整好樣條中一維、二維以及三維材料的比例，當(dāng)不斷增加硫酸鈣晶須的量時(shí)，會(huì)導(dǎo)致過量的二維材料不再起輔助能量耗散的作用，反而類似于雜質(zhì)降低其抗彎強(qiáng)度。同時(shí)，填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，導(dǎo)致聚合物基體的含量相對(duì)降低，從而降低各組分之間的黏結(jié)強(qiáng)度；且不同尺寸纖維的增強(qiáng)協(xié)同效應(yīng)減弱，能量傳遞效率降低，抗彎強(qiáng)度減小。

2.2 對(duì)樣條硬度的影響

硬度是材料抵抗硬物壓入其表面的能力，同樣是衡量磨具使用性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。對(duì)于磨具而言，硬度代表著結(jié)合劑對(duì)磨粒的把持力。硬度高時(shí)，磨具的耐用度好，但自銳性相對(duì)變差；硬度低時(shí)，磨具的自銳性好，但耐用度相對(duì)降低[9]。因此，通過高硬度材料的添加來提升磨具耐用度的方式往往會(huì)伴隨著其鋒利度的降低。

使用不同尺寸的硫酸鈣晶須壓制的樣條硬度測(cè)試結(jié)果見圖6，圖中對(duì)應(yīng)的樣條編號(hào)為0#、1#、2#、3#、4#。從圖6 中可以看出：不同尺寸硫酸鈣晶須的加入，樣條的硬度隨晶須尺寸的減小而稍微增大，但無太大影響。在晶須4 時(shí)，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下樣條的硬度分析如圖7所示，圖中對(duì)應(yīng)的樣條編號(hào)分別為0#、5#、6#、7#、4#和8#。由圖7 發(fā)現(xiàn)： 在添加的晶須質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%（4#樣條）以前，硬度基本無變化；當(dāng)晶須添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)由20%（4#樣條）增加到30%（8#樣條）時(shí)，硬度微弱降低，從77 HRC 降低到76 HRC。這是因?yàn)榱蛩徕}晶須的硬度很低，其莫氏硬度僅為3～4，晶須質(zhì)量分?jǐn)?shù)的過量增加降低了試樣整體的硬度。而硫酸鈣晶須作為一種輔助增強(qiáng)材料，正是由于其獨(dú)特的增韌但不增硬的方式，為磨具提高耐磨性的同時(shí)又可保持良好的鋒利度提供了可能。

2.3 樹脂粒度及晶須微觀形貌

樹脂粉與晶須適當(dāng)?shù)牧６缺壤诜哿系膿诫s、樹脂粉的熔融以及二次固化的混合過程中極為重要。使用激光粒度分析儀對(duì)樹脂粉的粒度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見圖8。圖8 的測(cè)試結(jié)果顯示：樹脂粉粒度分布主要集中在10.00～75.00 μm，其D50 粒度為22.17 μm。硫酸鈣晶須長(zhǎng)度與樹脂粉D50粒徑的比見表5。

對(duì)硫酸鈣晶須4 進(jìn)行SEM 掃描， 其形貌如圖9所示。從圖9 中可以看出：硫酸鈣晶須4 為針狀晶須，其具有較高的長(zhǎng)徑比；且在晶須的長(zhǎng)度范圍內(nèi)，長(zhǎng)徑比較為統(tǒng)一，因而具有良好的力學(xué)性能[10]。

2.4 壓制的樣條斷面以及樹脂磨片磨削面的微觀形貌

圖10 為不同種類晶須壓制的樣條斷面的SEM 形貌，其中圖10a～圖10e 是放大200 倍的圖像，圖10f 是放大500 倍的圖像。相對(duì)于圖10a 未添加晶須樣條的斷面，其他樣條斷面上均可看到晶須受到的拉伸分散應(yīng)力，且從圖10b 到圖10e，隨著硫酸鈣晶須尺寸的減小，晶須的分散性逐漸提高。且圖10b 中的晶須與樹脂的黏接強(qiáng)度低，從斷面可明顯地觀察到晶須從樹脂中被拉出而脫離；圖10c 中的晶須發(fā)生了團(tuán)聚現(xiàn)象，這是由于晶須長(zhǎng)度較大時(shí)混料時(shí)會(huì)更加困難[11]；圖10d 與圖10e 中晶須的分散性較好，晶須緊密地包埋在樹脂基體中，二者的界面模糊。經(jīng)過更大倍數(shù)觀測(cè)，圖10f中4#配方中的晶須與樹脂的結(jié)合更佳，晶須表面幾乎完全被樹脂包裹，基體所承受的外加應(yīng)力可以通過界面有效地傳遞給晶須，從而有效增加能量耗散，提高磨具的耐磨性。

使用3D 景深顯微鏡對(duì)0#、1#、2#以及4#配方的樣品摩擦面形貌進(jìn)行拍攝，結(jié)果如圖11 所示。由圖11可發(fā)現(xiàn)：磨削面平整，未出現(xiàn)顆粒破碎等問題，說明復(fù)合摻雜性能良好。觀察磨削面上的磨料、填料以及參與磨削的磨削點(diǎn)分布情況發(fā)現(xiàn)：相對(duì)于未添加硫酸鈣晶須的0#樣條而言， 1#、2#以及4#樣條的磨削點(diǎn)均增加，且圖中晶須的分散性以及摩擦面的磨削情況和晶須的尺寸密切相關(guān)。1#配方中的硫酸鈣晶須過長(zhǎng)，相同面積上的磨削點(diǎn)數(shù)量少，且分布十分不均勻；2#樣品團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重，能量耗散效果大大降低；4#樣品分布均勻，磨削點(diǎn)數(shù)量多，磨料利用效果最好。分散良好的晶須在固化物中形成骨架結(jié)構(gòu)起到了鉚接和釘扎的作用，使復(fù)合材料中硫酸鈣晶須與樹脂結(jié)合劑以及磨料的結(jié)構(gòu)更加緊密，能量傳遞更加高效，因此能較大幅度地提高復(fù)合材料的耐磨性。

使用EDS 分析圖10f 中的Ca 元素分布情況，結(jié)果見圖12。從圖12 中可以看出，晶須呈條狀均勻分布。經(jīng)測(cè)定Ca 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%。

2.5 磨片的鋒利度及耐磨度測(cè)試

使用自制磨片測(cè)試機(jī)對(duì)配方0#、1#、2#、3#、4#的磨片進(jìn)行測(cè)試，其鋒利度及耐磨度見圖13。從圖13 中可以看出：與0#磨片對(duì)比，隨著加入的硫酸鈣晶須尺寸的減小，磨片的耐磨度先升高后降低再升高，同時(shí)磨片的鋒利度的變化與耐磨度相同，且晶須4 的磨片增強(qiáng)效果最好，其耐磨度提升了23.3%，鋒利度提高了35%，這說明晶須4 對(duì)于現(xiàn)用樹脂胎體具有最佳的長(zhǎng)度范圍。從前面樣條的微觀形貌上及掃描電鏡中可以看到晶須4 在樹脂中分布最為均一，且與樹脂結(jié)合最好；同時(shí)，從圖11 中觀察到磨片磨削時(shí)起到輔助作用的磨削點(diǎn)也最多。這些都加強(qiáng)了磨片的能量耗散以及輔助磨削效果。

使用晶須4，添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)的增強(qiáng)效果測(cè)試結(jié)果見圖14，對(duì)應(yīng)的磨片編號(hào)分別為0#、5#、6#、7#、4#和8#。如圖14 所示：當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%（6#磨片）時(shí)就可得到最優(yōu)的耐磨度1.973 min/%，但鋒利度稍差為76.8 cm3/min；當(dāng)晶須的質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加時(shí)，磨片的耐磨度下降但鋒利度提高。當(dāng)晶須質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%（8#磨片）時(shí)，鋒利度最好，相對(duì)于0#樣品提高了38.1%。這是因?yàn)殡S著晶須填料含量的增加，聚合物中樹脂基體的含量相對(duì)降低，胎體對(duì)添加料的黏接強(qiáng)度減弱，同時(shí)不同尺寸纖維的協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)降低，造成脫黏現(xiàn)象嚴(yán)重[12]。因此，摩擦后磨片表面出現(xiàn)較多晶須和碎屑的脫黏物質(zhì)，裸露在摩擦表面，使得磨損率增大[13]。同時(shí)，由于硫酸鈣晶須的硬度較低，大量的添加會(huì)導(dǎo)致磨具的硬度降低，耐磨性下降，但在一定范圍內(nèi)過量的晶須加入可使磨片的鋒利度以及耐磨度同時(shí)提高。當(dāng)晶須質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%（4#磨片）時(shí)，相對(duì)于0#樣品，4#樣品可同時(shí)獲得35% 鋒利度以及23.3% 耐磨度的提升。因此，選用硫酸鈣晶須作為磨具輔助增強(qiáng)材料，價(jià)格低廉，原料易得，磨削增強(qiáng)效果好，在工業(yè)生產(chǎn)中具有很大的應(yīng)用潛力。

3 結(jié)論

在樹脂磨具中加入不同尺寸、不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硫酸鈣晶須，進(jìn)行了力學(xué)性能、微觀形貌以及鋒利度、耐磨度的測(cè)試與分析，得出結(jié)論如下：

（1）在壓制的樣條中加入4 種不同尺寸硫酸鈣晶須，與不加晶須的樣條比，樣條的抗彎強(qiáng)度均增加而硬度基本不變，4#樣條的抗彎強(qiáng)度最高達(dá)到了82.49 MPa；繼續(xù)對(duì)晶須4 進(jìn)行不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)的樣條測(cè)試，發(fā)現(xiàn)4#樣條中晶須質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20% 時(shí)具有最高的抗彎強(qiáng)度，硬度從質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20% 時(shí)的77 HRC 到30% 時(shí)微弱下降為76 HRC。

（2）晶須長(zhǎng)度為10～60 μm 的硫酸鈣晶須4 在樣條中的分散性及與樹脂的結(jié)合性均最好，其磨片的磨削面磨削點(diǎn)最多，分布最均勻。

（3）晶須4 的綜合增強(qiáng)效果最好，其具有最好的耐磨度及鋒利度。當(dāng)晶須4 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10% 時(shí)， 4#磨片具有最好的耐磨度1.973 min/%， 同時(shí)還保持著76.8 cm3/min 的優(yōu)秀鋒利度。

作者簡(jiǎn)介

林江程，男，1983 年生，工程師。主要研究方向：樹脂超硬材料磨具。

E-mail：linjiangcheng@163.com

（編輯：王潔）