1 樹脂結(jié)合劑的化學(xué)性質(zhì)和類型

       樹脂磨輪由樹脂結(jié)合劑中的磨料顆粒組成，可能含有或不含有填料（見(jiàn)圖1）。與燒結(jié)粘合工具相比，這種砂輪類型通常具有較低的孔隙率。

       樹脂是能夠硬化的粘稠液體。它們是聚合物，即由單體組成的大分子鏈。單體是含有C、H、O、N、Cl、S或F的元素的物質(zhì)，由此合成低聚物（“樹脂”）。然后，這些低聚物在第二步中被轉(zhuǎn)化為交聯(lián)的、不溶的聚合物，這一步被稱為固化，可能涉及到熱、催化劑、填料或壓力。

       磨具樹脂結(jié)合劑由單一樹脂或樹脂組合構(gòu)成，可能含有填料。樹脂本身通常是通過(guò)酯化或皂化有機(jī)化合物制造的。填料不僅有加強(qiáng)結(jié)合劑在韌性、耐熱性、強(qiáng)度和破裂安全性方面的任務(wù)，而且還有支持磨削過(guò)程作為次要磨料的作用。硅酸鹽、硫化物、鹵化物增加了結(jié)合劑的強(qiáng)度和耐磨性，并阻止了樹脂的氧化降解。在切割輪中，樹脂結(jié)合劑還被玻璃纖維、亞麻布等體材料加強(qiáng)。

       根據(jù)強(qiáng)度和耐溫性，樹脂結(jié)合劑可以分為三類：

       ? 酚醛樹脂，

       ? 聚酰亞胺和聚酰胺樹脂

       ? 環(huán)氧樹脂或聚氨酯樹脂，通常被稱為塑料結(jié)合劑。

       1.1 酚醛樹脂

       酚醛樹脂結(jié)合劑，特別是酚醛醛樹脂結(jié)合劑，是最常見(jiàn)的樹脂結(jié)合劑；這種結(jié)合劑類型的工具在傳統(tǒng)砂輪中占據(jù)了最大的市場(chǎng)份額，僅次于燒結(jié)工具。最初，這種結(jié)合劑類型被稱為酚醛塑料，因此在許多砂輪規(guī)格中保留了字母“B”。與其他樹脂相比，酚醛樹脂的價(jià)格更便宜，更容易成型。

       酚醛樹脂是通過(guò)酚和醛的反應(yīng)得到的。酚是芳香化合物，羥基與芳香環(huán)鍵合（見(jiàn)圖2）。酚的合成通常是通過(guò)丙烯過(guò)程完成的，這是一個(gè)將丙烯（異丙苯）和空氣氧化為丙烯過(guò)氧化物的過(guò)程，然后將丙烯過(guò)氧化物裂解為酚和丙酮。安全性是工廠設(shè)計(jì)和操作的關(guān)鍵因素，因?yàn)檠趸^(guò)程接近可燃極限，丙烯過(guò)氧化物是一種不穩(wěn)定的物質(zhì)。

       用于砂輪結(jié)合劑生產(chǎn)的相關(guān)醛包括甲醛、糠醛和六甲基四胺。甲醛是一種有害化學(xué)品，當(dāng)濃度超過(guò)一定程度時(shí)，可能會(huì)刺激眼睛、鼻子和喉嚨（見(jiàn)圖2）。六次甲基四胺，也稱為烏洛托品，是酚醛樹脂結(jié)合劑中常見(jiàn)的硬化劑（見(jiàn)圖2）。基本氧化物如氧化鈣或氧化鎂是酚醛樹脂中的固化加速劑。

       催化方式和酚與醛的摩爾比導(dǎo)致樹脂是resole型還是novolak型。Resoles可以通過(guò)酸、堿或熱條件輕松固化；novolaks通過(guò)六甲基四胺的甲醛、固體resoles或其他方法固化。Resoles可以是固體resole、resole溶液或水性resole；novolaks可以是固體樹脂、novolak溶液、水性novolak分散液和含有六甲基四胺的粉末樹脂。對(duì)于磨料工具的制造，水性resole和粉末novolak是最重要的形式。

       1.2 酚醛樹脂

       砂輪的酚醛樹脂結(jié)合劑包含液體（resole）和粉末（novolak），直接和改性酚醛樹脂，含有潤(rùn)濕劑的粉末樹脂，或低熔點(diǎn)酚醛樹脂與粉末酚醛樹脂的組合。可以進(jìn)行各種改性，如與環(huán)氧樹脂、橡膠、聚乙烯醇丁酮等的改性。此外，用于超硬磨料的酚醛樹脂結(jié)合劑通過(guò)SiC顆粒和固體潤(rùn)滑劑進(jìn)行增強(qiáng)。酚醛樹脂通過(guò)聚縮反應(yīng)在大約150-200°C下固化。Gardziella等人給出了用于生產(chǎn)磨具的單一液體和樹脂粉的詳細(xì)組成。

       1.3 聚酰胺和聚酰亞胺樹脂

       聚酰亞胺是聚合物，其分子鏈中的一個(gè)環(huán)中含有非碳原子氮（見(jiàn)圖3）。聚酰胺-酰亞胺是同一聚合物家族的成員，含有芳香環(huán)和氮鍵（見(jiàn)圖3）。

       聚酰胺和聚酰亞胺結(jié)合劑比酚醛樹脂結(jié)合劑具有更高的韌性、熱阻和彈性。聚酰亞胺結(jié)合劑的韌性是酚醛結(jié)合劑的5到10倍，可以承受300°C的溫度20倍的時(shí)間。然而，較高的價(jià)格使得這種粘合系統(tǒng)類型的使用限制在特殊應(yīng)用和超硬磨料上。聚酰亞胺樹脂是高產(chǎn)量硬質(zhì)合金磨削的主要結(jié)合劑類型，特別是用于凹槽磨削，或用于冷卻潤(rùn)滑劑下的切割磨削。

       1.4 環(huán)氧或聚氨酯樹脂

       環(huán)氧或聚氨酯輪是樹脂粘合輪中最軟的。對(duì)于傳統(tǒng)磨料，常用于雙盤和外圓磨削。然而，對(duì)于超硬磨料，環(huán)氧或聚氨酯結(jié)合劑似乎僅限于玻璃和陶瓷行業(yè)的微米鉆石顆粒應(yīng)用。環(huán)氧樹脂的特性是它們的環(huán)氧基，由環(huán)氧環(huán)（–CH2–O–CH2–）組成。然后，環(huán)氧樹脂與流體硬化劑硬化為聚合物。

       2 樹脂結(jié)合劑的制造

       樹脂粘合磨具是通過(guò)混合、壓制和在約200°C的溫度下硬化制造的（見(jiàn)圖4）。樹脂通常由兩個(gè)主要成分樹脂和硬化劑組成。混合會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)性樹脂材料。在硬化過(guò)程中，樹脂的粘度升高，生成一種硬塑性材料。

       2.1 混合和成型

       混合通常分為幾個(gè)步驟，濕混合、干混合和最后混合（見(jiàn)圖4）。在濕混合步驟中，磨料顆粒和液體樹脂或糠醛（一種潤(rùn)濕劑）結(jié)合在一起。磨料顆粒將被涂覆，使得樹脂粉和填料更容易附著在顆粒表面。潤(rùn)濕劑也改善了顆粒的聚集。此外，磨料工具可以在其原始的，所謂的“綠色”狀態(tài)下處理。

       在與濕混合物（由磨料和濕樹脂組成）結(jié)合之前，以酚為基礎(chǔ)的粉末樹脂和填料進(jìn)行干混。添加劑被包含在內(nèi)，以通過(guò)改善混合物的流動(dòng)性和儲(chǔ)存壽命，減少團(tuán)塊傾向來(lái)支持混合過(guò)程。添加劑的例子包括粉末添加劑、硅石和衍生物。混合過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行，直到出現(xiàn)均勻的、可傾注的混合物。在處理樹脂粉時(shí)，粉塵是一個(gè)安全問(wèn)題。因此，防塵劑可以是有用的添加劑，以最小化粉塵。

       在壓制之前，可以嵌入體材料，如用于切割輪的玻璃纖維或用于超硬磨輪的鋁體。

       2.2 壓制

       結(jié)合劑和磨料混合物可以在爐子中冷壓并硬化，也可以在帶有加熱板的壓力機(jī)上熱壓并硬化。圖5顯示了將磨料層壓到磨輪體上的壓制示例設(shè)置。傳統(tǒng)的砂輪可以在140-200°C下進(jìn)行熱壓或冷壓并硬化。大多數(shù)超硬磨輪和密實(shí)、低孔隙度的磨輪是通過(guò)在160-175°C下進(jìn)行熱壓制造的。對(duì)于直徑小于200mm的超硬磨輪，可以直接將磨料層壓到基體上。環(huán)氧或聚氨酯結(jié)合劑是在模具中鑄造或搖動(dòng)，然后在20-80°C的溫度下硬化。

       冷壓是在液壓機(jī)上進(jìn)行的，壓縮強(qiáng)度為15-30 N/mm2。壓制時(shí)間范圍從5-50秒，取決于磨料工具的尺寸和形狀、顆粒大小、混合物的塑性和分布。在熱壓中，壓制時(shí)間為每毫米輪厚約30-60s。

       壓制過(guò)程可以基于定義的體積或壓力進(jìn)行（定體積和定壓力）。內(nèi)部摩擦和與模具壁的摩擦導(dǎo)致顆粒密度的偏差，從而影響工具硬度（見(jiàn)圖6）。密度偏差可以通過(guò)兩個(gè)砧壓或在壓制過(guò)程中振蕩來(lái)克服。

       2.3 固化

       硬化過(guò)程必須遵循定義的溫度程序（見(jiàn)圖7中的示例）。根據(jù)實(shí)際溫度，固化過(guò)程中會(huì)發(fā)生幾種化學(xué)過(guò)程：

       （1）70~80°C：樹脂結(jié)合劑開始流動(dòng)，并轉(zhuǎn)化為熔融質(zhì)量。酚醛樹脂中的水蒸發(fā)，樹脂在這種水分離下硬化。水可以在多孔工具中排出。（2）110-120°C：六次甲基四胺分解并引發(fā)熔融樹脂粉的硬化過(guò)程（見(jiàn)圖8）。氣體釋放，特別是氨（NH3）。（3）170-180°C：結(jié)構(gòu)最終硬化，酚醛樹脂的交聯(lián)發(fā)生。應(yīng)避免過(guò)度固化，因?yàn)檫^(guò)度固化的工具強(qiáng)度降低。 （4）180-200°C：芐胺結(jié)構(gòu)分裂，產(chǎn)生新的氨生成（見(jiàn)圖8）。樹脂結(jié)合劑變得脆性，但也變得熱穩(wěn)定。（5）最終溫度水平（165-170，175-180，或185-195°C）顯著影響最終工具性能（硬度、韌性、脆性）。固化也可以通過(guò)射頻和微波加熱的介電方式進(jìn)行。這些方法需要存在顯著的電損耗因子，這在酚醛醛樹脂中是常見(jiàn)的。

       2.4 樹脂結(jié)合劑中的填料

       樹脂結(jié)合劑中的填料在制造階段和磨削操作中以下作用：引入氣孔，增強(qiáng)結(jié)合劑性能，改變外觀，等等。

       樹脂粘合磨具中常見(jiàn)的填料有冰晶石-氟化鈉鋁（Na3AlF6）、黃鐵礦（FeS2）、硫化鋅（ZnS）、硫酸鋅鋇（ZnSBaSO4）、氟硼酸鉀和氯化鉀（KAlF4, K3AlF6）、硫酸鉀（K2SO4）和這些材料的混合物（KCl）。

       過(guò)去使用的有毒材料三硫化二銻（Sb2S3）和氯化鉛（PbCl2）已被特殊的鐵鹵化物和其他物質(zhì)取代。填料和樹脂結(jié)合劑的百分比隨磨具硬度和密度的變化而變化（表1）。

       在制造階段，填料可以引入氣孔。基本氧化物，如CaO和MgO，是加速硬化過(guò)程的填料。然而，CaO只應(yīng)用于干磨操作的磨具，因?yàn)镃aO填料在接觸冷卻潤(rùn)滑劑時(shí)可以水化并轉(zhuǎn)化為CaCO3。

       在磨削過(guò)程中，填料增強(qiáng)了結(jié)合劑的韌性、耐熱性、強(qiáng)度和爆裂阻力，或者它們作為次要磨料支持磨削過(guò)程。玻璃碎片增強(qiáng)了砂輪的內(nèi)徑。可以將具有高熱導(dǎo)率的細(xì)金屬粉末引入到結(jié)合劑中，以改善工具在加工過(guò)程中的熱吸收。如：細(xì)銀粉， 325目或更細(xì)。此外，細(xì)硅酸鹽顆粒作為結(jié)合劑的增強(qiáng)劑。

       引入到結(jié)合劑配方中的固體潤(rùn)滑劑形式的填料有以下作用：

       ? 減少了砂輪/工件界面的摩擦，

       ? 通過(guò)磨削切屑減少了砂輪的負(fù)載，

       ? 保持磨料顆粒的鋒利度。

       如：325目或更細(xì)的砂輪的有機(jī)干膜潤(rùn)滑劑聚四氟乙烯（PTFE）類型。在其他應(yīng)用中，潤(rùn)滑劑FeS2和K2SO4改善了磨削質(zhì)量和通用性。細(xì)分的石墨可以改善干磨的性能。氟化鈉鋁（Na3AlF6）在約950°C時(shí)熔化，防止金屬堵塞砂輪。然而，它作為Al2O3顆粒的溶劑。將在非常基本的介質(zhì)中使用的磨料帶的樹脂結(jié)合劑必須進(jìn)行額外的穩(wěn)定。當(dāng)填料作為著色劑時(shí)，填料可以改變工具的外觀。

       3 樹脂結(jié)合劑的性能

       樹脂結(jié)合劑具有相對(duì)較高的彈性。因此，這種結(jié)合劑類型被選用于受到?jīng)_擊、側(cè)向負(fù)載、突然負(fù)載或高切削速度的砂輪。典型的應(yīng)用是切割或粗加工。此外，樹脂結(jié)合劑對(duì)于完成過(guò)程以達(dá)到高表面質(zhì)量效果很好。然而，結(jié)合劑的彈性可能對(duì)尺寸精度產(chǎn)生負(fù)面影響。

       樹脂粘合輪易于成型，但通過(guò)成型不能達(dá)到足夠高的出刃高度。因此，需要額外的銳化過(guò)程。表1列出了磨輪中常見(jiàn)的樹脂和填料含量百分比。在磨削過(guò)程中，只有使結(jié)合劑回退的工件材料才會(huì)導(dǎo)致足夠的自銳化效果。適合的材料是脆性材料，例如在硬質(zhì)合金工具磨削的應(yīng)用中。

       密實(shí)的磨具表面是通過(guò)細(xì)磨料顆粒大小實(shí)現(xiàn)的。大顆粒和金屬顆粒鍍層改善了樹脂粘合系統(tǒng)中的結(jié)合力。某些填料，如CaO，不應(yīng)接觸水。

       此外，樹脂結(jié)合劑對(duì)熱敏感。超過(guò)200°C的溫度下開始降解，磨料鍍層有助于散發(fā)磨削熱。樹脂砂輪的保質(zhì)期有限，應(yīng)在兩年內(nèi)使用。使結(jié)合劑樹脂硬化的聚縮反應(yīng)不會(huì)導(dǎo)致完全硬化，因此樹脂結(jié)合劑的強(qiáng)度可能會(huì)因?yàn)榇髿饣蚧瘜W(xué)暴露而改變。

      【砂輪配方分析】

       砂輪配方分析是一個(gè)綜合性分析，采用SEM-EDS、XRD、紅外、TG-DSC、XRF、ICP、氣質(zhì)等現(xiàn)代分析設(shè)備，加上濕法化學(xué)分析和制造砂輪的經(jīng)驗(yàn)，綜合判斷的結(jié)果。下圖是典型的配方分析結(jié)果。