本實驗采用NaOH溶液對金剛石磨料進行了預處理,并用硅烷偶聯劑進行表面改性,對改性后的金剛石磨料制造的樹脂砂輪的磨削比和磨削效率進行了研究。結果表明,在干磨的條件下,改性后的金剛石磨料對砂輪磨削比的提高顯著,磨削效率基本不變。通過顯微鏡觀察磨削后的砂輪表面形貌,發現樹脂對改性后的金剛石顆粒把持力增大,磨粒脫落減少,與僅用硅烷偶聯劑處理的金剛石砂輪相比,其磨削比提高了50%。

       0 引言

       樹脂基金剛石砂輪因其自銳性好、磨削效率高等優點而被廣泛應用于陶瓷、玻璃、硬質合金等硬脆材料的磨削加工中。目前,世界上60%以上的磨料級金剛石用于制造樹脂基金剛石砂輪。然而,由于金剛石的化學穩定性極好,在常溫下,金剛石對酸、堿、鹽等化學試劑都表現為惰性,因此,樹脂與金剛石顆粒之間的結合性能不理想。研究表明在干磨硬質合金時,大約有70%的磨粒沒有獲得充分利用而直接脫落。目前常用的處理方法如鍍銅、鍍鎳等雖然能改善樹脂與金剛石顆粒之間的浸潤性,但多是機械嵌合,難以形成化學鍵的結合,而且還會影響金剛石磨粒的自銳性,在磨削過程中增加了動力消耗(約10%~20%)。磨料級的金剛石多為人造金剛石,合成過程中的高溫高壓環境使得金剛石晶體存在較多的缺陷,含有-COOH、-OH等基團。因次,可以使用偶聯劑進行表面處理,改善其與樹脂的浸潤性。

       目前關于偶聯劑處理金剛石磨料的文獻所見較少,而且文獻中所采用的處理方法均為單獨使用偶聯劑處理,未對金剛石進行預處理,處理工藝雜亂,改性效果不穩定,對砂輪的性能提升不明顯。本實驗采用NaOH溶液對金剛石磨料進行了預處理,然后用硅烷偶聯劑進行表面改性。將改性后的磨料制成砂輪然后對其磨削性能進行了測試,并與未經任何處理的磨料、僅用NaOH溶液處理的磨料和僅用硅烷偶聯劑處理的磨料進行了對比。

       1 實驗部分

       1.1 實驗材料

       1.2 儀器與分析表征

       (1)砂輪的壓制使用MYS-100型熱壓機,砂輪二次固化在電熱干燥箱中進行。

       (2)在DHM-3型磨削性能試驗機上進行磨削實驗。

       (3)用MDA1300型手持式USB數碼顯微鏡對砂輪磨削面進行分析。

       1.3 實驗過程

       1.3.1 金剛石的表面處理

先將金剛石在0.11g/mL的NaOH溶液中80e恒溫攪拌4h,除去金剛石表面的雜質,對金剛石進行粗化和羥基化處理,然后洗滌烘干。最后用硅烷偶聯劑的醇水溶液在79e恒溫攪拌的條件下對預處理后的金剛石進行進一步的表面改性,6h后將金剛石取出,用無水乙醇洗滌干凈后烘干。

       1.3.2樹脂基砂輪的制樣

       將處理后的金剛石磨料和未處理的金剛石磨料分別制成規格為1A1100@16@20@4RVD140/170B75的砂輪,其中1#砂輪使用的是經過NaOH溶液和硅烷偶聯劑處理的金剛石磨料,2#砂輪使用的是未經處理的金剛石磨料,3#砂輪使用的是未經NaOH溶液處理,僅用硅烷偶聯劑處理的金剛石磨料,4#砂輪使用的是經NaOH溶液處理,但未用硅烷偶聯劑處理的磨料。除金剛石磨料不一樣外,所用填料配比、聚酰亞胺樹脂、工藝等參數均相同。壓制溫度為230e。

       1.3.3 磨削比測試

       (1)實驗條件砂輪轉速:5000r/min

       加載壓力:500~1500g,恒力加載擺動頻率:20次/min

       硬質合金:YG8

       (2)測試方法

       將需要磨削的砂輪和硬質合金刀具用丙酮清洗干凈,放入烘箱,80e烘干1h后移入干燥器冷卻至室溫,稱重并記錄。然后將砂輪和刀具分別裝在磨削試驗機上固定,設定好各參數,開始磨削,磨削過程完成后試驗機自動停止。卸下磨削后的砂輪和刀具,用丙酮清洗干凈后放入烘箱,80e烘干1h后移入干燥器冷卻至室溫,稱重記錄,計算磨削比。

       2 結果與討論

       2.1 磨削比值

       用制成的金剛石砂輪磨削硬質合金鋼刀具,采用干磨的方式進行實驗。采用的磨削比為質量比值,計算后將結果填入表2,計算公式如下:

       其中G為磨削比,$ms為砂輪磨耗質量,$mw為硬質合金刀具磨耗質量。

       磨削比表征了砂輪的磨削性能,磨削比越大,說明砂輪越經濟實用。由表2的磨削比值可見,在相同的加載壓力下,1#砂輪的磨削比在加載壓力為500g、750g、1000g和1250g的情況下分別比2#砂輪高出11.4%、86.2%、63.4%和109.9%,這說明,在相同的樹脂基體、工藝參數以及加載壓力條件下,NaOH溶液和硅烷偶聯劑對金剛石處理使砂輪的磨削比有顯著的提高,尤其是當加載壓力較大的情況下。

       由表3可以看出,在相同的加載壓力下,和2#砂輪相比,3#砂輪的磨削比提高了39.8%,說明與未經硅烷偶聯劑處理的金剛石相比,使用硅烷偶聯劑處理能改善磨料與樹脂的結合狀態,增加樹脂對磨料的把持力,提高砂輪的磨削性能;但和1#砂輪相比,其磨削比明顯較低,僅為其磨削比的66.6%。這說明NaOH溶液的預處理產生了效果,經過NaOH溶液的預處理,金剛石磨料的表面可能產生小的凹陷,表面比以前更加粗糙,而且表面可能吸附部分羥基,在偶聯處理的過程中,增加了偶聯劑與磨料表面的反應點,形成更多的Si-O-M(M為金剛石磨料)鍵,使金剛石磨料與樹脂結合的更加緊密。4#砂輪與2#砂輪相比,其磨削比提高了64.0%,比3#砂輪的磨削比高出17.3%。這說明NaOH溶液的預處理也能提高砂輪的磨削比,處理后的金剛石磨料表面發生了變化。

       2.2 磨削效率和砂輪磨損率

       磨削效率和砂輪磨損率是考核磨具磨削性能的重要指標,本實驗采用的是磨耗質量與磨削時間的比值,計算公式如下:

       由表2和表3的數據可見,所有砂輪的磨削效率變化不大,這說明NaOH溶液和硅烷偶聯劑的處理對砂輪的自銳性幾乎沒有影響。但從砂輪的磨損率可以看出,使用經過NaOH溶液和硅烷偶聯劑處理的金剛石的砂輪的磨損率明顯低于使用未處理金剛石的砂輪。即金剛石經過表面處理以后耐磨性明顯提高,而鋒利度并未降低(單位時間磨削掉的硬質合金量基本不變,而砂輪損耗量大幅減少)。3#和4#砂輪的砂輪磨損率介于二者之間,這說明NaOH的處理對改善樹脂與磨料的結合狀態起了很大的作用。

       2.3 砂輪表面分析

       通過顯微鏡對磨削后的砂輪表面進行觀察,圖1~6為四種砂輪在不同加載壓力下干磨試驗時磨削后砂輪的表面。

       在磨削過程中,砂輪的磨損形式主要有機械磨損、化學磨損和黏附磨損三種形式,其中機械磨損包括磨耗磨損、磨粒的破碎和脫落。磨耗磨損是指砂輪表面尖銳鋒利的切削刃在磨削的過程中逐漸被磨損成小平面的過程，其明顯的特征就是有明顯的磨損平面,使磨粒與工件的接觸面積增大。由圖2和圖4可以看出,磨削后，2# 砂輪的表面只有少量金剛石磨粒,說明大部分磨粒已經在磨削過程中脫落,而且均為整顆磨料整體脫落,表面存在較多磨料脫落后留下的坑洞,尤其是在壓力為1000g的情況下，磨粒脫落嚴重：而1#砂輪的表面雖也有磨粒脫落,但和2#砂輪相比，剩余的磨粒較多,部分磨料頂面有明顯的平臺，屬于磨耗磨損,有少量坑洞,但不明顯。這說明經過硅烷偶聯劑的處理,改善了基體與磨粒的結合狀態,樹脂基體對金剛石磨粒的把持力增加。這就降低了砂輪的磨損率,增加了砂輪的使用壽命,降低了生產成本。

       將1#、3#和4#砂輪磨削后的表面進行對比,發現3#和4#砂輪表面的金剛石磨料脫落不多,沒有明顯的坑洞,但有部分金剛石磨料存在松動、與樹脂結合不緊密的現象;少量的磨料頂面呈平臺狀。1#表面有較小的坑洞,但金剛石磨料與樹脂均結合緊密,無松動現象。說明經過NaOH溶液預處理,增強了偶聯劑的偶聯效果,使樹脂對磨粒的把持力進一步增大,磨粒不易松動脫落。

       3 結論

       (1)使用NaOH溶液和硅烷偶聯劑對金剛石磨料進行處理,砂輪的磨損率顯著降低,而且磨削效率基本不變。該方法可以改善金剛石與樹脂基體的結合狀態,增加樹脂基體對金剛石磨粒的把持力,使其在磨削的過程中不易脫落,提高砂輪的磨削比。

       (2)1#和3#砂輪磨削比實驗表明,NaOH溶液的預處理可以增強偶聯劑的偶聯效果,使樹脂對磨粒的把持力進一步增大。

       (3)實驗數據表明,所有砂輪的磨削效率基本不變,該處理過程對金剛石磨粒的鋒利度和自銳性沒有影響。