改性酚醛树脂在磨料磨具中的应用研究

罗浩川

(广东省奔朗新材料股份有限公司，广东 顺德 528313)

0 前言

在超硬材料磨具中，树脂结合剂类磨具在金刚石磨具中的百分比占各类结合剂总量的60%～70%，在cBN磨具中所占比例也接近一半占到40%左右，而其中最主要的酚醛树脂则占各类树脂结合剂约80%[1]。酚醛树脂具有良好的抗冲强度、耐酸碱腐蚀性和出色的可加工性能，已经在超硬材料磨具行业中得到了十分广泛的应用；但受其结构的影响，酚醛树脂中的酚羟基和亚甲基容易被氧化，且分子链上的芳核仅由一个亚甲基相连而显脆性[2]，在固化时有小分子放出等缺点，所以，又往往使其使用受到限制[3]。

在磨料磨具行业，酚醛树脂的改性方向主要为耐热改性[4-6]和耐磨改性[7]。酚醛树脂耐热性的不足使得磨料磨具在磨削过程中磨料由于局部受热容易脱落，造成磨料利用率低下。酚醛树脂耐磨性不足则容易导致磨具消耗过快、寿命不足。本文通过研究不同耐热性和硬度的酚醛树脂的磨削性能进而研究了影响酚醛树脂磨削性能的因素。并分别通过双马来酰亚胺和密胺树脂与酚醛树脂的共混改性研究了它们对磨削性能的影响。

1 实验部分

1.1 实验原材料

金刚石微粉，600目；绿碳化硅，粒度1000#；结合剂：酚醛树脂(PF-a、PF-b、PF-c、PF-d、PF-e)、双马来酰亚胺(BMI)、蜜胺树脂(MA)。实验中所用到的树脂粉如表1所示。

表1 树脂粉Table 1 Characteristics of different resin

表1中各种树脂按体积比为树脂粉∶金刚石600#∶绿碳化硅1000#=61∶9∶30的配比制备成样条进行测试。BMI固化温度为220℃，其他树脂固化温度为160℃。

1.2 实验仪器

表2实验仪器
Table 2 Experimental instruments

名称用途厂家树脂成型热压机Y33G-200T热压固化 郑州三磨所塑料洛氏硬度计XHRD-150型洛氏硬度山东莱州华银试验仪器CHARPY XCT-500摆锤式冲击试验机抗冲击强度珠海三思试验设备全自动陶瓷抛光机磨削实验广东科达机电

1.3 试验制样

试样条制备：将粉料按一定配比均匀混合，过100#筛网，按100×40×10 mm规格热压成型，每个试验组各压制6根样条。除BMI以外的树脂固化温度为160 ℃，热压时间为15 min。BMI固化温度为220℃。

弹性磨块制备：将粉料按一定配比均匀混合，过100#筛网，倒入齿形磨具中，在粉料上覆盖一层尼龙扣带后于160℃热压15min后制备成齿形刀头；随后将齿形刀头依次与橡胶垫、卡板粘接，制备成弹性磨块。

1.4 性能测试及表征

软化点测定: SYP4202沥青软化点试验器，环球法，甘油浴，升温速率约为5 ℃/min。按GB/T 12007.6-1989执行；

抗冲击强度的测试：CHARPY XCT-500摆锤式冲击试验机，无缺口试样(100 mm×40 mm×10 mm)，10 kg摆锤。

磨削性能测试：每组实验需将6个弹性磨块装在全自动陶瓷抛光机上，在通水情况下与陶瓷砖对磨60 min，压力30N。将弹性磨块和陶瓷砖在磨削前和磨削后分别称重，分别得到弹性磨块和陶瓷砖在磨削中消耗的重量，计算得到：

磨削比=陶瓷砖减重/弹性磨块减重。

2 试验结果分析

2.1 不同树脂对磨削性能的影响

各种树脂以相比配方制备成弹性磨块后与陶瓷砖对磨后的结果如表3所示。弹性磨块的减重可以代表其耐磨性，减重越多，耐磨性越差；而陶瓷砖的减重可以代表其锋利性，减重越多，锋利性越好。对照表1树脂的各项性能可以看出，磨块的耐磨性与其硬度和抗冲击强度正相关。PF-a和PF-b硬度和抗冲击强度最低，所以耐磨性最差；PF-c、PF-d和PF-e硬度和抗冲击强度高于PF-a和PF-b，其耐磨性也好于PF-a和PF-b；MA硬度最高，但抗冲击强度最低，其耐磨性好于PF-a和PF-b，但差于PF-c、PF-d和PF-e。PF-a和PF-b硬度差不多，但PF-b抗冲击强度低，所以其耐磨性差；PF-c、PF-d和PF-e硬度相差不多，抗冲击强度递减，耐磨性也递减。在水磨条件下，树脂耐热温度对耐磨性的影响不明显。

树脂耐热温度与磨削比成正相关，耐热温度越高，磨削比越高。这是由于磨料在磨削过程中会产生局部高热，热量无法散开时会使磨料周围树脂软化而导致磨料脱落，从而降低磨削效率。硬度和抗冲击强度对磨削比也有着同样的影响。树脂对磨料把持力的强度同时跟树脂耐热温度、硬度和抗冲击强度正相关。

表3 磨削性能测试结果Table 3 Grinding performance of resins

注：各种树脂配方按体积比为树脂粉∶金刚石600#∶绿碳化硅1000#=61∶9∶30

2.2 BMI共混改性对酚醛树脂磨削性能的影响

BMI树脂粉耐热性好、硬度高、抗冲击强度高，但其固化温度较高(200℃以上)，工艺性能较差，不适合直接使用纯树脂做磨块。从表4可以看出，加入少量BMI(5%)时，除PF-c外，其他树脂制成的磨块耐磨性和锋利性都有不同程度的增加。

表4 BMI改性酚醛树脂磨削性能测试结果Table 4 Grinding performance of phenolic resins modified by BMI

注：各种树脂配方按体积比为树脂粉∶BMI∶金刚石600#∶绿碳化硅1000#=56∶5∶9∶30

2.3 MA共混改性对酚醛树脂磨削性能的影响

MA树脂粉耐热性好、硬度高、但抗冲击强度低。从表5可以看出，随着MA含量的增加，磨块的耐磨性降低，锋利性先增加后降低，磨削比逐渐下降。当MA∶酚醛为1∶1时具有最好的耐磨性；当MA∶酚醛为3∶1时具有最好的锋利性。因此，可根据不同的需求选择不同的配比。

表5 不同配比MA共混对酚醛树脂磨削性能的影响Table 5 Grinding performance of phenolic resins modified by MA

注：各种树脂配方按体积比为树脂粉∶金刚石600#∶绿碳化硅1000#=61∶9∶30。酚醛树脂选用PF-d。

3 结论

(1)磨具的耐磨性与树脂的硬度和抗冲击强度正相关；磨具的磨削比跟树脂耐热温度、硬度和抗冲击强度正相关。

(2)加入5%体积BMI时，除PF-c外，其他树脂耐磨性和锋利性都有不同程度的增加。

(3)随着MA含量的增加，磨块的耐磨性降低，锋利性先增加后降低，磨削比逐渐下降。当MA∶酚醛为1∶1时磨块具有最好的耐磨性；当MA∶酚醛为3∶1时磨块具有最好的锋利性。