聚酰亚胺树脂和酚醛树脂在干湿条件下的磨削试验
作者：叶晓川
来源：武汉泰格斯科技发展有限公司
编辑更新：2009/8/17 13:01:02
目前国内生产树脂金刚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] 。聚酰亚胺具耐高温、耐辐射、耐潮湿和耐腐蚀等优点[2] ，又具有与典型热塑性树脂相似的流动性和模塑性，因此得到了广泛的发展。用新型聚酰亚胺树脂与普通酚醛树脂进行力学性能、热性能和磨削性能研究，得出聚酰亚胺树脂的把持力和耐热性比酚醛树脂要好，能够更好的提高金刚砂轮的使用寿命和磨削效率。
1 实验部分
1.1原材料
人造金刚石：型号ZD2010,粒度140/170
硬质合金型号 YG10X 产地：镇江永昌硬质合金工具厂
酚醛树脂（FQ）；市售常用酚醛树脂
聚酰亚胺树脂（YA）：武汉泰格斯科技发展有限公司
1.2仪器设备
（1）砂轮及力学实验用的式样的压制使用MYS-100型热压机，砂轮二次固化在电热干燥箱中进行。
（2）在咸阳机床厂生产地MM9116型万能工具磨床上进行磨削实验。
（3）用XTL-3400型体式显微镜对砂轮磨削面进行分析。
（4）用德国施耐公司NETZSCH STA 449 C型号的综合热分析仪在10℃/min升温速率下空气氛围中测试材料的热稳定性和热分解温度。
1.3 试样制备
1.3.1 力学性能样条的制备
两种树脂均按同样的配方配料，除去了辅料的影响因素，配方仅含220#碳化硅和树脂粉，二者按1：1比例混合，碳化硅预先用甲酚润湿。然后按要求放入不同模具，在一定温度下压制固化，每种试样制作5块。
1.3.2砂轮配方设计及工艺：
用粒度为140/170的中南金刚石ZD2010分别与酚醛树脂和聚酰亚胺混合，然后分别在180℃和230℃下压制固化，制得规格为150*8*100*10*3 D140/170 B100的砂轮FQ和YA。
1.3.3 试验条件
砂轮转速：4200转/分
进刀：0.01-0.02mm，每往复一次进一次刀
冷却液：10%的RN-M02水溶液
湿磨时工件面积：0.02mm2
干磨时工件面积：0.00785mm2
2 结果与讨论
2.1 力学性能
试样经力学性能测试后得到的结果见表1，从表1的数据可以看出，两种树脂的抗拉强度基本相当；抗折强度FQ稍好于YA，说明酚醛树脂的弯曲韧性要比聚酰亚胺好；YA的冲击强度比FQ大，说明聚酰亚胺的冲击韧性要优于酚醛树脂；但是FQ的洛氏硬度为22.2，比YA低很多。
表1 树脂的力学性能
| 名称 | FQ | YA |
| 抗拉强度（N/mm2） | 39.7 | 38.8 |
| 冲击强度（kJ/m2） | 3.42 | 4.06 |
| 抗折强度（kg．f） | 82.4 | 73.2 |
| 洛氏硬度（HRB） | 22.2 | 63.5 |
2.2耐热性
由图1可以看出，聚酰亚胺的耐高温性比酚醛树脂要好，尤其温度高于515℃以后，极为突出。根据实验所测得的数据可以看出，当失重率到50%时，聚酰亚胺和酚醛树脂所需要的温度分别为570℃和590℃，且在600℃时PF的失重率达到了83%，而NR的失重率仅为56%。从图2中也可以看到聚酰亚胺树脂比酚醛树脂耐热性好，其中YA的最高分解温度达到623℃，而酚醛树脂得为595℃。这是因为聚酰亚胺树脂中含有基团酰亚胺的网络结构，在高温时能够缩聚成炭[3] ，使得其热稳定性好。
图1 聚酰亚胺和酚醛树脂的TG图
图2 聚酰亚胺和酚醛树脂的DSC图
2.3 磨削性能
用制成的金刚石砂轮磨硬质合金棒，按照：砂轮磨削比=工件磨耗量/砂轮磨耗量 ，计算出结果如表所示：
表2 在冷却液10%的RN-M02水溶液中进行磨削试验
| 砂轮编号 | 进刀量（mm） | 工件去除量（g） | 砂轮消耗量（g） | 电流值 | 磨削比 |
| FQ | 0.01 | 64.0 | 0.2388 | 0.5 | 268 |
| YA | 0.01 | 64.0 | 0.1969 | 0.6 | 326 |
| FQ | 0.02 | 64.0 | 0.3878 | 1.0 | 165 |
| YA | 0.02 | 65.8 | 0.2899 | 1.2 | 227 |
在湿磨进刀0.01mm/次的条件下，YA比FQ磨削比可以提高21.6%；电流值均小，声音清脆。在湿磨进刀0.02mm/次的条件下，YA比NR磨削比可以提高27.3%，EF-2比FQ可以提高107.3。
表3 在干磨条件下进行磨削试验
| 砂轮编号 | 进刀量（mm） | 工件去除量（g） | 砂轮消耗量（g） | 电流值 | 磨削比 |
| FQ | 0.01 | 14.2 | 0.2208 | 1.0 | 64.3 |
| YA | 0.01 | 14.8 | 0.1309 | 1.0 | 113 |
| FQ | 0.02 | 15.3 | 0.4026 | 1.4 | 38 |
| YA | 0.02 | 12.5 | 0.1330 | 1.0 | 94 |
在干磨进刀0.01mm/次的条件下，YA比FQ磨削比可以提高91.2%；电流值均小，声音清脆。FQ在干磨时，有明显的糊味，而亚胺树脂没有，此时，亚胺树脂的优越性得到了明显的体现。但是，干磨时磨削区高热的温度使结合剂脱落速度很快，砂轮表面都很干净，不粘屑。在干磨进刀0.02mm/次的条件下，YA比FQ磨削比可以提高147.3，电流值比FQ的要低，并且FQ的糊味很大。
结合以上两种情况可以看出，无论是干磨还是湿磨，聚酰亚胺的磨削性能都比酚醛树脂要好。
2.4 砂轮表面分析
以下是两种砂轮进行进刀0.02mm/次的湿磨试验时砂轮磨过的表面，在体式放大镜下放大25倍。
图3FQ的湿磨试验时砂轮磨过的表面
从砂轮的表面可以看出FQ砂轮的表面，磨料成片脱落，而YA砂轮磨料只是部分脱落。所以结合剂对磨料的把持能力是影响砂轮磨削性能的决定性因素。而结合剂对磨料的把持能力，由两方面来决定：①树脂的力学强度。树脂的力学强度，直接决定了结合剂对磨料的把持能力。②树脂的耐热性。即使两种树脂的力学性能不差上下，耐热性好的树脂在实际的磨削中也会体现出优异的磨削性能，干磨条件下自不必说，即使在湿磨的条件下，磨削区的瞬间温度也会很高，高的温度对结合剂的破坏作用是很强的。
图4 YA的湿磨试验时砂轮磨过的表面
从力学性能和耐热性分析可以看出，聚酰亚胺的洛氏硬度比酚醛树脂要高，能对金刚石产生很好的把持力；并且聚酰亚胺的耐高温性要比酚醛树脂好，在磨削过程中瞬时产生的高温对聚酰亚胺的影响要比酚醛树脂小的多。
3 结论
(1)力学性能测试表明，两种树脂的抗拉强度、抗折强度和冲击强度相差不大，但酚醛树脂的洛氏硬度偏低；
(2) 通过综合热分析可以看出，聚酰亚胺的耐高温性优良，最高分解温度达到623℃；
(3)用聚酰亚胺作为结合剂制得的砂轮无论在干磨或者湿磨条件下都比酚醛树脂具有优良的耐磨性，干磨时更明显。
(4)在体式放大镜下放大25倍，观察两种砂轮进行进刀0.02mm/次的湿磨试验时砂轮磨过的表面形貌， FQ砂轮的表面，磨料成片脱落，而YA砂轮磨料只是部分脱落，说明聚酰亚胺对金刚石的把持力比酚醛树脂的大。
参考文献：
[1]黄发荣，焦杨生．酚醛树脂及其应用[M]. 北京：化工出版社，2003,1-5.
[2] 程蓓，余家国. 聚酰亚胺金刚石树脂砂轮耐磨性能研究[J]. 武汉工业大学学报，1998,20(4):52-54.
[3]I.K.Varma,VeenaChoudhary,BhartiGaur,BimleshLochab,SoniaOberoi,RashmiChauhan. Curing and Thermal Behavior of Poly(allylazide) and Bismaleimides. Journal of Applied Polymer Science [J], 2006,101:779–786.
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