第22卷第3期 超 硬 材 料 工 程V ol.22 2010年6月SU P ERHA RD M A T ERIA L ENG IN EERIN G Jun.2010耐热酚醛树脂金刚石砂轮的磨削性能研究 叶晓川1,2，史冬丽3，曾黎明1，张超1，陈雷1
(1.武汉理工大学材料科学与工程学院，湖北武汉430070;2.武汉泰格斯科技发展有限公司，湖北武汉430070;
3.郑州磨料磨具磨削研究所，河南郑州450013)
摘 要：文章研究了耐热酚醛树脂和“2123”酚醛树脂作为金刚石砂轮结合剂的耐磨情况。磨削试验结果表 明：耐热酚醛树脂粉制作的金刚石砂轮具有较好的耐磨性，所加工工件的表面质量优良。通过热性能、力学
性能测试和磨削表面分析，出了两种树脂砂轮耐磨性和磨削效率存在差异的原因，树脂耐热温度的高
低、韧性直接影响砂轮的耐磨性；树脂的硬度对砂轮的磨削效率有影响。
关键词：酚醛；金刚石砂轮；磨削；耐磨性
中图分类号:T Q164 文献标识码:A 文章编号:1673-1433(2010)03-0011-05
Study on grinding performance of heat-resistant phenolic
resin bond diamond grinding wheels
YE Xiao-chuan1,2,SH I Dong-li3,ZEN G Li-m ing1,ZHANG Chao1,CHEN Lei1恒温阀门
(1.School of M aterials Science and Eng ineer ing,W uhan U niver sity of T echnology,W uhan,H ubei430070;
2.W uhan T igers T echnology D ev elop ment Co.L td.,W uhan,H ubei430070;
3.Zhengz hou Research I nstitute f or A br asiv es&Grinding,Zheng z hou,H enan450013)
Abstract:The heat-resistant phenolic resin bo nd used for diam ond grinding w heel is
presented and is co mpar ed with another com mon used pheno lic resin.Grinding ex periment
sho ws that the w ear resistance and w ork piece surface quality o f the heat-resistant
phenolic resin bo nd diam ond w heel are go od.T hro ug h the resear ch o n the thermal,
mechanics and g rinding properties,the causes of the differences of w ear resistance o f tw o
kinds of resin bond diamo nd w heels are analyzed.The results show that toughness and
heat resistance of the resin affect directly on the w ear resistance of the w heel,w hile the
hardness affect the g rinding efficiency.
Keywords:phenolic;diam ond g rinding w heel;gr inding;w ear resistance
1 前言
目前国内生产树脂金刚石砂轮使用最多的结合剂是各种改性的酚醛树脂和聚酰亚胺树脂，酚醛树脂作为普遍应用的树脂磨具结合剂，具有价格低廉、综合性能优越、生产工艺简单等优点[1]。国内树脂磨具中酚醛树脂牌号多为“2123”。“2123”树脂在150℃～180℃成型，具有一定的机械强度。但“2123”树脂耐热性较低，一般工作温度不能超过170℃，长期工作温度不能超过120℃，不适于大进刀，深切削加工。本文对
11
收稿日期:2010-04-22
作者简介：叶晓川(1964-)，毕业于武汉大学化学系有机化学专业，长期从事树脂结合剂的研究和生产开发，湖北省玻璃钢学会理事，武汉理工大学材料学院博士(在读)。
一种耐热酚醛树脂的热性能进行了表征，对其进行了力学性能试验和磨削试验，并与“2123”树脂进行了对比，通过对砂轮的磨削面进行观察，分析了两者耐磨性差异的原因。
2 实验
2.1 实验原材料
人造金刚石：型号RVD，粒度140/170
硬质合金刀具：型号YG8，株州长江硬质合金刀具有限公司
耐热酚醛树脂：武汉泰格斯科技发展有限公司“2123”酚醛树脂：市售
固化剂：六次甲基四胺(HMT A)，市售2.2 仪器设备及实验过程
2.2.1 砂轮的压制使用MYS-100型热压机，按照相应的固化工艺制度压制，砂轮的后固化在电热干燥箱中进行。砂轮规格:1A 1100×16×20×4RVD 140/170B 75。
2.2.2 热失重实验用德国耐驰公司NET ZSCH ST A
449C 型号的综合热分析仪，以10K/m in 的升温速率
分别在空气和N 2氛围中测试材料的热稳定性和热分解温度，据此研究材料的结构与性能。
2.2.3 力学性能样条按1∶1的比例，在树脂中加入预先用甲酚润湿过的220#碳化硅，然后按要求放入模具，按130℃1h +140℃1h +160℃0.5h 的固化制度压制固化，后固化温度为180℃2h 。用KZOQ -Ⅰ型全自动抗折强度试验机,NS2000抗拉强度试验机进行力学性能测试；洛氏硬度采用山东华银HR -150A 洛氏硬度机进行测试，载荷1000N 。
2.2.4 磨削试验在郑州大华机电技术有限公司生产的DHM -3型磨削性能试验机上进行。砂轮转速:5000r /min ；加载压力:5～10N ，恒力加载；摆动频率:20次/分。
2.2.5 用XTL-3400型体式显微镜对砂轮磨削表面进行微观分析。
3 结果与讨论
3.1 耐热酚醛树脂的TG-DSC
表征
图1 耐热酚醛树脂在N 2和空气气氛的T G 和DSC 谱图
F ig .1 T
G and DSC spect rum of t he heat -r esist ant phenolic r esin in N 2and air atm ospher e
图1是酚醛树脂在N 2和空气气氛的综合热分析谱图。从图中可以看出，此酚醛树脂残碳率为54.6%，树脂的分解过程基本分为三个阶段。在200℃～300℃，树脂在N 2中失重为2.19%,DSC 曲线在235.9℃有一个微弱的吸热峰，这是树脂进一步交联固化或者羟甲基等端基脱落的失重峰，这一部分的失重是由于树脂中热解产物水和甲醇等小分子的挥发[2]
。
300℃～600℃这一区间为主失重区间，在N 2气氛下，失重35.56%,DSC 曲线在465.3℃有一个较宽的吸热峰，主要是苯环之间的亚甲基桥的断裂，热解产物为酚类同系物；在空气气氛下，此区间失重高达74.12%,DSC 吸热峰在393.6℃，此阶段失重表现为树脂的分解、炭化。这是因为在氧存在下，亚甲基转化为氢过氧化物，最后形成酮结构，形成的酮容易发生自由基断裂，同时两个酚环之间可经分子内脱水后烷化成氧杂蒽环，酮和醚键的分解形成大量副产物，如水、CO 、CO 2等。
600℃～800℃是高温脱氢成炭反应，在N 2中，这一区间失重7.02%。在空气中反应仍很剧烈,DSC 曲线在560.8℃的吸热峰之后又迅速的在606.7℃出现一个吸热峰，说明亚甲基的热解过程已经完成，有新的剧烈的反应产生，即：酚核在高温下被剧烈氧化成醌式结构，进而分解形成CO 2、CH 4、水等小分子。到了660℃以后，吸热峰很快下降并结束，说明此时反应基
12
本完全，在空气中，最终残余量为8%。
从整个T G -DSC 曲线分析可以得知，该树脂在250℃之前的热稳定性较好，树脂的耐热温度越高对提高砂轮的磨削性能越有益处[3]
。
3.2
力学性能分析
图2 耐热酚醛和“2123”酚醛树脂的抗折强度Fig.2 Bending st reng th of heat-resistant phenolic
resin and “
2123”pheno lic resin 树脂结合剂的强度高低决定了磨具在磨削过程中的耐磨性、生产率等方面的性能。从图2可以看出，耐热酚醛树脂的抗折强度普遍高于“2123”，平均抗折强度达到824N，说明此耐热酚醛树脂有较好的韧性，制成的砂轮会不易崩边，型面保持性较好。
由图3可以看出，耐热酚醛树脂的洛氏硬度明显低于“2123”，只有44.7HRB，略高于砂轮用树脂结合剂对硬度的要求，而“2123”酚醛树脂的硬度高达82HRB 。硬度代表砂轮抵抗外力侵入的能力，此树脂硬度较低，可能使树脂难以用于重负荷砂轮，以及砂轮要求耐磨性较好，强制修整的场合。如果要提高砂轮
硬度可以调整辅料和工艺。
图3 耐热酚醛树脂和“2123”酚醛树脂的洛氏硬度
Fig.3 R ockwell har dness of heat -r esist ant phenolic resin and “2123”phenolic resin
表1 耐热酚醛树脂和“2123”酚醛树脂的抗拉强度T able 1 T ensile str eng th o f heat -r esistant phenolic
r esin and “
2123”pheno lic r esin M Pa
样品1234平均值耐热酚醛4135443939.72123
38
38
40
42
39.5
油门拉线两种树脂的抗拉强度可从表1中看出，平均值分别为39.7M Pa 和39.5M Pa，说明两种酚醛树脂的粘结性能相差不多。粘结性能好，能使树脂更好地包覆金刚石，使其不易脱落。3.3 磨削性能研究3.3.1
磨削试验
本节对此种耐热酚醛树脂(NR)及国内使用较多的“2123”酚醛树脂的磨削性能进行了分析，进而说明
此种耐热酚醛树脂的磨削能力及应用价值。研究中一般采用磨削比对磨具的磨削性能进行评估，本实验采用的磨削比为质量比值，计算公式如下:
G =
m w m s
(1)
其中,G 为磨削比, m s 为砂轮磨耗质量, m w 为硬质合金刀具磨耗质量。
磨削效率和砂轮磨除率也是考察磨具磨削性能的一个重要指标，本实验采用的是磨耗质量与磨削时间的比值
[61]
，即:
Z w =
m w t ,Z s = m s
t
(2)
嫁接刀 其中,Z w 为磨削效率,Z s 为砂轮磨除率。表2是磨削实验结果。从磨削效率值，可以看到“2123”的磨削效率比NR 略低，这可能是由于“2123”硬度较高，使得砂轮的自锐性不好，结合剂硬度高时，结合剂脱落的速度相对于金刚石的脱落速度慢；从砂轮磨除率
数值，可以发现“2123”比NR 高了近150%，这是由于“2123”耐热性较差，磨削区高热的温度使结合剂脱落速度很快，而且“2123”韧性较差，砂轮多处出现甭边导致大块脱落。对磨削现象的观察还发现，两种树脂磨削过程中都有糊味，但“2123”糊味很重，这说明“2123”的烧蚀情况很严重,NR 体现出其耐热性较好的优越性。
在相同加载压力下，耐热酚醛砂轮的磨削比较普通酚醛树脂砂轮提高了160%左右，因为砂轮在磨削时局部高温，磨粒受力时产生的热量迅速传递给磨粒周围的树脂，普通树脂迅速老化降解，失去对磨粒的把持力。大部分磨粒的脱落使砂轮在磨削时大部分都
台球杆架
13
是结合剂在挤压工件，而磨削力很弱。由于普通酚醛高的强度指标使结合剂的脱落速度慢于磨料的脱落速度，砂轮产生糊味，甚至烧伤工件。而耐热酚醛由于其较高的热稳定性。使结合剂不至于在局部高温时失
去对磨料的把持能力，有更多的磨粒参与磨削。同时
由于其设计硬度不高，使磨粒脱落的同时结合剂也同时脱落，保证了砂轮的锋利性，提高了砂轮的磨削效率。
表2 酚醛树脂金刚石砂轮的磨削实验数据
T able 2 Gr inding test o f pheno lic r esin bond diamo nd g rinding wheel
项目刀具磨耗量
(g )砂轮磨耗量
(g )电流值磨削时间(s )磨削比磨削效率(g ・s -1)砂轮磨除率(g ・s -1)耐热酚醛64.20.14280.11200449.
60.05350.000119耐热酚醛64.60.14660.11200440.70.05380.000122212364.00.38780.141200165.00.05330.0003232123
63.2
0.3824
0.14
1200
175.3
0.0527
0.000318
电流值能代表砂轮与工件的压力，从以上磨削数据中可以看出耐热酚醛的磨削比高出普通酚醛很多，电流值小，磨削阻力也小，证明砂轮又锋利又耐磨。而普通酚醛的电流值大，证明磨削阻力大，实际磨削中要增加修整次数，降低了磨削效率。
从以上可以看出,NR 树脂磨削性能优良，比“2123”酚醛树脂磨削比高很多。针对此树脂的特性,
NR 树脂比较适合于制作要求自锐性较高的砂轮，从
而减少了砂轮的修整间歇，提高了砂轮的耐用度。也可通过调整辅料配方和压制工艺，提高砂轮硬度制作耐磨性较高的砂轮。
3.3.2 砂轮磨削表面分析
以下是两种树脂砂轮磨削试验时砂轮磨过的表面,
在显微镜下放大观察的照片。
图4 “2123”酚醛树脂金刚石砂轮磨削表面
F ig .4 Gr inding surface of “
2123”phenolic resin bond diamond gr inding w heel 从“2123”酚醛树脂砂轮的微观表面图4(a)可以
看出，树脂砂轮磨料脱落很多，表面可以看到多处烧蚀的空洞，几乎没有看到金刚石磨料。由于酚醛树脂砂轮在压制过程中，产生大量气孔，在磨削时金刚石颗粒容易出现滑移，产生的磨削热使得磨料周围的树脂炭化分解，从而导致金刚石脱落。由图4(b )还可以看到崩边现象，在砂轮边缘有成块的结合剂脱落，这会使砂轮严重磨损断裂而不能使用，这是因为“2123”树脂韧性较差，在长时间磨削过程中容易发生型面破损的现象。
从图5可以看到NR 酚醛树脂砂轮磨削表面的微观情况。砂轮表面也可以明显看到磨料脱落的空洞，但没有“2123”树脂多，而金刚石保留数量较多，且结合紧密，这说明NR 的耐热性要比“2123”强。NR 砂轮表面也能看到一些气孔，但数量与图4(a )相比少很多，砂轮组织更致密，工件表面质量较好。由于NR 树脂具有较好的耐热性和韧性，保证了磨削过程的顺利进行，烧蚀空洞较少，金刚石颗粒保持完整，没有出现
14
崩边现象。因而NR 树脂砂轮比“2123”砂轮磨削比更高，这一点也可以从磨削试验结果看到。由此可见，树脂的力学性能和耐热性是影响树脂金刚石砂轮磨削性能的重要因素。树脂的抗折强度可提高砂轮的型面保持性，增加耐磨性；耐热性好使树脂能更多的承受高温对结合剂的破坏作用,
保持对磨料的粘接作用。
图5 N R 酚醛树脂金刚石砂轮磨削表面F ig.5 Gr inding sur face of N R phenolic r esin
bo nd diamond gr inding w heel
4 结论
(1)通过实验表明：耐热酚醛树脂粉是一种较为理想的金刚石砂轮结合剂，所制造的金刚石砂轮耐磨性和所加工工件的表面质量优良。
(2)TG-DSC 曲线表明：耐热酚醛树脂粉在250℃之前的热稳定性较好，这对提高砂轮的磨削性能很有益处。
(3)耐热酚醛树脂有较好的韧性，较高的抗折强度能让金刚石砂轮有较好的型面保持性，提高耐磨性。参考文献:
[1] 华勇，李亚萍，蒋登高.金刚石砂轮树脂结合剂的性能分析[J ].
金刚石与磨料磨具工程,2004,143(5):4-6.
[2] 刘涛，曾黎明，叶晓川，赵军.双马改性酚醛树脂的制备及热性
能分析[J ].武汉理工大学学报,2010,32(7):12-14,27.[3] 余家国，程蓓，李克华，等.三种树脂金刚石砂轮的耐磨性与显
六类网线做法
微结构的关系[J].机械工程材料,1996,20(5):45-47.
[4] Han Huang,Lin g Yu n,Libo Zhou.High s peed grind ing of
silicon nitride w ith resin bond d iamond w heels [J ].Journ al of M aterials Processin g T echnology ,2003,(141):329-336.
据长期从事切削刀具涂层技术研究的DennisT.Quinto 博士介绍，要使一种材料成为功能涂层材料，需要解决两个工艺技术问题：一生成具有正确键结构的纳米晶晶核，并且随后能够生长为最终结晶微观组织；二涂层能与基体牢固粘结，这也是作为刀具涂层难题所在。
Quinto 博士指出，与PCD 涂层只有一种碳元素不同,cBN 材料由硼氮两种元素组成，因此生成cBN 涂层难度大得多。为了生成具有很高硬度涂层，这两种物质原子必须形成特定、称为sp3立方键结构，
以获得热动态稳定相。否则其原子就可能形成六方相，尽管它也很稳定，但那软石墨相。CVD 工艺1000℃左右高温下，原子活动能力强，可移动距离大，容易排列成sp 3结构。可CVD 技术似乎本质上就不适合cBN 涂层，而采用等离子辅助PVD 工艺实验室条件下也只能沉积出最厚1微米cBN，而要作为一种实用硬质膜，这一厚度太薄了。此外,PV D 工艺约500℃低温下，原子活动能力较弱，一方面只能形成较小纳米晶核，甚至几乎不能长大成为晶粒，正如Quinto 博士所说,“cBN 成核与金刚石成核不同，它需要更多能量或更高能量离子碰撞，以形成sp 3结构”
。另一方面，由于原子并非总能到一个“平衡位置”，因此形成了残余应力。这本是PVD 涂层正常现象，而且PVD 涂层生成残余应力为压应力，如果控制得好，它对抑制裂纹产生扩展有利。但，对于cBN 涂层来说，这种内应力太大，反而成为开发功能性cBN 涂层主要障碍。Quinto 博士指出，如果残余应力不恰当地出现在涂层与基体界面上，那么随着沉积厚度增加，涂层就会自发地破碎。
为了减小过大残余应力，科研人员涂层与基体之间设计了一个过渡层，或者涂层工艺增加退火操作，以消除内应力，但至今仍未获得像金刚石涂层那样好的结合强度。
基体类型也会影响cBN 涂层粘结强度大小，如果基体材料性质与涂层材料接近，则涂层与基体会结合得更好。那么，为什么不能将cBN 涂覆PcBN 上呢?Quinto 博士指出:“这样也有可能粘结得很好，但如果超硬涂层不与韧性基体相配合，就难以获得综合优势，而且这种刀片也不经济。”
maxstep
15
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议