Cu-SiC磨削用磨具制备工艺及性能表征*

侯天翔 周松青 刘绍杰 许泳行 邓前军

(佛山科学技术学院 材料科学与能源工程学院 广东 佛山 528000)

前言

磨具是由结合剂将磨料粘接在一起构成用于磨削、研磨和抛光的工具，磨料、气孔、结合剂是组成磨具的3个要素。磨料是制造磨具的主要原料之一，是磨具产生磨削、研磨、抛光作用的主体，用于打磨或磨削其他材料[1]。

我国磨具工业发展迅速，随着工业技术的发展，产品向高磨削效率、低成本、长使用寿命的方向发展[2]。目前市场上应用于陶瓷、微晶玻璃及玻璃等脆性硬质材料表面加工领域的磨具材料产品有不少，根据磨料种类主要分为金刚石系、碳化硅系以及刚玉系3大类[3～4]。

初步抛光主要采用树脂金刚石磨具[5～7]，树脂金刚石磨具耐磨性能好，使用时间长，但由于金刚石硬度大而韧性较差，树脂结合剂的粘结力强,磨料不易脱落容易产生刮痕、磨花现象，影响了陶瓷的光泽度。

虽然目前市场上耐磨材料的种类不少，但高韧性耐磨材料仍然有待开发，因此笔者通过研究Cu与SiC形成复杂系统的产物作为高韧性耐磨材料的原料，再加入树脂结合剂提高原料的韧性，最后通过加入微晶刚玉这种填充剂来达到增强韧性、降低粗糙度的效果。

Cu-SiC类复合材料的表面平整性大大加强，结构对比起来更加的致密，使得其既具备了碳化硅的高耐磨性，而且还攻克了碳化硅材料易脆的缺点，韧性获得显著的加强[8]。笔者以环氧改性酚醛树脂为结合剂，其拥有环氧树脂不易产生体积变化、粘结磨料性能强，韧性好的特点，同时保持了酚醛树脂的阻燃性能[9]，树脂在230 ℃以上就逐渐炭化，加工中的高温使树脂局部炭化产生自锐，提高了磨削的锋利度从而又降低了磨削温度，避免烧伤工件[10]。

笔者制得复合材料Cu-微晶刚玉-SiC高耐磨磨具。该磨具原料主要由铜粉、微晶刚玉、酚醛环氧树脂和碳化硅磨料组成。通过研究磨料添加量和不同种类辅助填料对磨块磨损性能的影响，同时调节磨料和填料的比例去摸索最佳的树脂磨具配方，从而实现开发应用新型高强度树脂磨具的目标。

1 实验部分

1.1 实验原料

实验所用原料有树脂结合剂、磨料和填料(如表1所示)。

表1 实验原料与产地Tab.1 Experimental raw materials and producing areas

1.2 实验制备

按照配方比例进行配料(表1、表2、表3所示)，将选取的碳化硅(1 000目)、微晶刚玉(800目)、铜粉(800目)、酚醛环氧树脂粉(1 000目)放入电子烘箱在120 ℃下干燥2 h，按照配方用电子天平依次称取树脂粉末、磨料、填料放入烧杯中，并用玻璃棒充分搅匀混合、过筛，直至材料混合均匀。将混合料倒入模具中，摊料分布均匀，模具合模放进液压机中加热压制(温度160 ℃、压力970 kN、压制时间12 min),压制完成后脱模取出毛坯，裁剪边幅制成成品，冷却2 h。实验工艺流程图如图1所示。

表2不同比例碳化硅/树脂配方组成

Tab.2Formulacompositionofdifferentproportionofsiliconcarbide/resin

添加物编号ABCD碳化硅(%)35404550环氧树脂(%)45403530

表3不同种类树脂结合剂的原料配方组成

Tab.3Compositionofrawmaterialsfordifferentkindsofresinbinders

图1实验工艺流程图

表4有铜粉磨具的原料配方组成

Tab.4Ingredientsofrawmaterialsforgrindingtoolswithcopperpowder

编号环氧改性酚醛树脂(g)碳化硅(800目)(g)微晶刚玉(800目)(g)Cu粉(800目)(g)Cu131.549.51.08Cu231.545.02.511Cu331.540.54.014Cu431.536.05.517

1.3 实验的性能表征

利用Axiocam ERc 5s金相显微镜对Cu-SiC材料的表面形貌观察分析，利用手动抛光机磨削对Cu-SiC复合材料的耐磨性能进行测试，利用BS210S型电子分析天平对复合材料磨损质量损失进行测量。

2 结果分析与讨论

2.1 SiC/树脂的组成比例对磨块磨损率的影响

不同SiC/树脂组成比例对磨损率影响，如图2所示。

图2 不同SiC/树脂组成比例对磨损率影响

通过磨损性能测试，研究碳化硅和密胺树脂的成分配比对磨块的耐磨性能的影响，当增加碳化硅在磨料中所占的含量时，材料的磨损比先减小后增大，即磨损性能先变强后变弱。根据材料破坏的分子理论，聚合物的破坏是高分子主链上化学键的断裂或高分子主链间的相互作用力的破坏。当碳化硅含量分别为磨料总含量的45%，密胺树脂占35%，磨损比最小，即磨损性能最佳。

2.2 树脂种类对磨块磨损率的影响

本实验用了环氧改性树脂和聚氨酯树脂配方为35%树脂和65%碳化硅磨块进行磨损测试，A、B组每组重复实验3次。实验结果如表5所示。

表5不同种类树脂结合剂对磨损率的影响

Tab.5Effectofdifferentkindsofresinbindersonwearrate

名称环氧改性树脂磨块聚氨酯树脂磨块磨块磨损率1(质量%)0.260.12磨块磨损率2(质量%)0.280.15磨块磨损率3(质量%)0.300.10平均磨块磨损率(质量%)0.280.12

环氧改性树脂磨块的磨损率比聚氨酯树脂磨块高，因为环氧改性树脂的粘结性能好，制备的树脂磨块具有致密性高、结合强度高和抗折强度高，环氧树脂磨块在磨削时不容易发生变形，环氧树脂磨块硬接触磨削陶瓷片。而聚氨酯树脂制备的磨块具有弹性、耐撕裂性和微孔[11]，在磨削过程中减少磨块对陶瓷片硬接触，磨块会弹性形变保护磨块结构，能够提高磨块的耐磨性。环氧树脂磨块的陶瓷磨削效率比聚氨酯树脂磨块高59%。因为环氧树脂磨块的强度高，提供给碳化硅磨料结合力高，能够在磨削过程承受高应力，磨料在一定时间内不会崩坏，提供不错的磨削效率。聚氨酯树脂磨块有弹性好，在磨削过程中，磨块会发生弹性形变来保护磨块，从而降低磨削效率。环氧树脂的磨损比比聚氨酯树脂磨块低。树脂磨块的磨损性能受树脂的性能影响。

2.3 铜粉添加量对于磨块磨损率的影响

铜粉添加量对于磨块磨损率的影响，如图3所示。

图3 铜添加量对磨损率的影响(质量百分比)

由图3可知，加入铜粉后，复合材料的磨损率曲线发生变化，曲线趋势为先降后升。结果显示，铜粉加入量3～5 g时，磨损率呈现下降状态，而曲线的最低点为碳化硅含量45%；铜粉加入量为14 g，此时的磨损率为0.18%，比没有加入铜粉之前的磨损率低。说明复合材料加入铜粉在一定程度上可以减少磨具的磨损率。但是当铜粉添加量到达17 g时，磨损率反而升高至0.23%，磨损率不降反增。

原因为加入适量铜粉后，能够提高材料导热性能而使摩擦表面的温度降低，从而减少了树脂粘合剂的分解，而比SiC更软、韧性更高的铜粉，使得磨具在一定程度上耐磨性功能上升。同时摩擦性能相对于“SiC/瓷质砖显著提高”，原因是摩擦界面变为：“SiC-铜/瓷质砖SiC-铜/釉”，同时可以阻止磨具中SiC微裂纹的扩展，有利于降低SiC磨损、提高磨具使用寿命。SiC磨料中加入铜粉后摩擦变为SiC-铜/瓷质砖，测试后可以从表面看出(如图4所示)磨损机理发生改变：以磨粒磨损为主，磨粒起到了磨料作用。

图4 未添加铜粉磨损显微结构

2.4 磨块表面分析及其磨损机理

添加铜粉磨损显微结构，如图5所示。

图5 添加铜粉磨损显微结构

由图5可见，用不加入铜粉的碳化硅磨块去做磨损性能测试，瓷砖在放大200倍的条件下观察，表面形成了4个孔洞，有明显犁沟磨痕，因此磨损机理以较严重的磨粒磨损和犁沟磨损为主。在磨削过程中容易把瓷砖表面的颗粒拔出来，出现孔洞。瓷砖体为粗糙孔隙，孔洞是不规则形状，孔壁覆盖着半球形晶粒，瓷砖从上到下分层，大多晶粒与晶粒之间有较大的间隙，孔的底部不平整，覆盖有半球形的晶体和小孔，孔中的结构和孔隙相同，孔面是原来的瓷砖自身的瓷砖晶粒。因为瓷砖在压实过程中由于空气不能排去，因而储藏在瓷砖内，导致瓷砖组织疏松，在加工过程中，这些晶粒与瓷砖体脱落后形成气孔。

碳化硅磨块配方改良后，瓷砖表面只有1个孔洞，没有犁沟磨损，没有裂痕。改良后的碳化硅磨具磨损面上塑性变形基本消失，相比不加入铜粉的磨块，本次磨损机理发生了改变，主要特征为轻度的磨粒磨损。

因此，加入铜粉是磨损率下降的原因。加入比SiC软、断裂韧性高的铜粉后，摩擦学性能相对于“SiC/瓷质砖”显著提高，摩擦界面变为：“SiC-铜/瓷质砖SiC-铜/釉”，在磨削抛光制品表面过程中会形成近于微米颗粒的转移层，大大减少了制品表面损伤和微观缺陷，同时可以阻止磨具中SiC微裂纹的扩展，有利于降低SiC磨损，提高磨具使用寿命。SiC磨料中加入铜后摩擦变为SiC-铜/瓷质砖，测试后可以从表面看出磨损机理发生改变：以轻度磨粒磨损为主，磨粒起到了磨料作用。

3 结论

1)考察了SiC颗粒的添加量对复合材料磨损性能的影响。通过对比不同SiC颗粒的添加量对复合材料磨损性能的影响。实验结果表明，当树脂含量为35%、SiC颗粒的含量为50%时，复合材料的磨损率最低。

2)研究了铜粉添加量对SiC复合材料磨损磨削的影响。实验结果表明，当复合材料加入适度铜粉时，磨具磨损率会进一步降低。但是铜粉添加过量时，磨损率会不降反增。最终得到最佳配方组成为：35%树脂、45%碳化硅、4.44%白刚玉、15.56%铜粉。

3)加入铜粉后磨损率下降的原因为：加入比SiC软、断裂韧性高的铜粉后，摩擦学性能相对于“SiC/瓷质砖”显著提高，摩擦界面变为：“SiC-铜/瓷质砖SiC-铜/釉”，在磨削抛光制品表面过程中会形成近于微米颗粒的转移层，大大减少了制品表面损伤和微观缺陷，同时可以阻止磨具中SiC微裂纹的扩展，有利于降低SiC磨损、提高磨具使用寿命。SiC磨料中加入铜后摩擦变为SiC-铜/瓷质砖，测试后可以从表面看出磨损机理发生改变：以轻度磨粒磨损为主，磨粒起到了磨料作用。