一文讀懂樹(shù)脂結合劑
1 樹(shù)脂結合劑的化學(xué)性質(zhì)和類(lèi)型
樹(shù)脂磨輪由樹(shù)脂結合劑中的磨料顆粒組成，可能含有或不含有填料（見(jiàn)圖1）。與燒結粘合工具相比，這種砂輪類(lèi)型通常具有較低的孔隙率。
圖1 樹(shù)脂結合劑砂輪結構
樹(shù)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(shù)脂”）。然后，這些低聚物在第二步中被轉化為交聯(lián)的、不溶的聚合物，這一步被稱(chēng)為固化，可能涉及到熱、催化劑、填料或壓力。
磨具樹(shù)脂結合劑由單一樹(shù)脂或樹(shù)脂組合構成，可能含有填料。樹(shù)脂本身通常是通過(guò)酯化或皂化有機化合物制造的。填料不僅有加強結合劑在韌性、耐熱性、強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、鹵化物增加了結合劑的強度和耐磨性，并阻止了樹(shù)脂的氧化降解。在切割輪中，樹(shù)脂結合劑還被玻璃纖維、亞麻布等體材料加強。
根據強度和耐溫性，樹(shù)脂結合劑可以分為三類(lèi)：
1.1 酚醛樹(shù)脂
酚醛樹(shù)脂結合劑，特別是酚醛醛樹(shù)脂結合劑，是最常見(jiàn)的樹(shù)脂結合劑；這種結合劑類(lèi)型的工具在傳統砂輪中占據了******的市場(chǎng)份額，僅次于燒結工具。最初，這種結合劑類(lèi)型被稱(chēng)為酚醛塑料，因此在許多砂輪規格中保留了字母“B”。與其他樹(shù)脂相比，酚醛樹(shù)脂的價(jià)格更便宜，更容易成型。
酚醛樹(shù)脂是通過(guò)酚和醛的反應得到的。酚是芳香化合物，羥基與芳香環(huán)鍵合。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(chǎng)設計和操作的關(guān)鍵因素，因為氧化過(guò)程接近可燃極限，丙烯過(guò)氧化物是一種不穩定的物質(zhì)。
用于砂輪結合劑生產(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，當濃度超過(guò)一定程度時(shí)，可能會(huì )刺激眼睛、鼻子和喉嚨。六次甲基四胺，也稱(chēng)為烏洛托品，是酚醛樹(shù)脂結合劑中常見(jiàn)的硬化劑（見(jiàn)圖2）?；狙趸锶缪趸}或氧化鎂是酚醛樹(shù)脂中的固化加速劑。
催化方式和酚與醛的摩爾比導致樹(shù)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(shù)脂、novolak溶液、水性novolak分散液和含有六甲基四胺的粉末樹(shù)脂。對于磨料工具的制造，水性resole和粉末novolak是最重要的形式。
1.2 酚醛樹(shù)脂
砂輪的酚醛樹(shù)脂結合劑包含液體（resole）和粉末（novolak），直接和改性酚醛樹(shù)脂，含有潤濕劑的粉末樹(shù)脂，或低熔點(diǎn)酚醛樹(shù)脂與粉末酚醛樹(shù)脂的組合?？梢赃M(jìn)行各種改性，如與環(huán)氧樹(shù)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(shù)脂結合劑通過(guò)SiC顆粒和固體潤滑劑進(jìn)行增強。酚醛樹(shù)脂通過(guò)聚縮反應在大約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(shù)脂粉的詳細組成。
1.3 聚酰胺和聚酰亞胺樹(shù)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。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。
聚酰胺和聚酰亞胺結合劑比酚醛樹(shù)脂結合劑具有更高的韌性、熱阻和彈性。聚酰亞胺結合劑的韌性是酚醛結合劑的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類(lèi)型的使用限制在特殊應用和超硬磨料上。聚酰亞胺樹(shù)脂是高產(chǎn)量硬質(zhì)合金磨削的主要結合劑類(lèi)型，特別是用于凹槽磨削，或用于冷卻潤滑劑下的切割磨削。
1.4 環(huán)氧或聚氨酯樹(shù)脂
環(huán)氧或聚氨酯輪是樹(shù)脂粘合輪中最軟的。對于傳統磨料，常用于雙盤(pán)和外圓磨削。然而，對于超硬磨料，環(huán)氧或聚氨酯結合劑似乎僅限于玻璃和陶瓷行業(yè)的微米鉆石顆粒應用。環(huán)氧樹(shù)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(shù)脂與流體硬化劑硬化為聚合物。
2 樹(shù)脂結合劑的制造
樹(shù)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(shù)脂通常由兩個(gè)主要成分樹(shù)脂和硬化劑組成?；旌蠒?huì )產(chǎn)生反應性樹(shù)脂材料。在硬化過(guò)程中，樹(shù)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2）。在濕混合步驟中，磨料顆粒和液體樹(shù)脂或糠醛（一種潤濕劑）結合在一起。磨料顆粒將被涂覆，使得樹(shù)脂粉和填料更容易附著(zhù)在顆粒表面。潤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(shù)脂組成）結合之前，以酚為基礎的粉末樹(shù)脂和填料進(jìn)行干混。添加劑被包含在內，以通過(guò)改善混合物的流動(dòng)性和儲存壽命，減少團塊傾向來(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?；旌线^(guò)程繼續進(jìn)行，直到出現均勻的、可傾注的混合物。在處理樹(shù)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。
圖2 樹(shù)脂砂輪制造過(guò)程
2.2 壓制
結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置。傳統的砂輪可以在140-200°C下進(jìn)行熱壓或冷壓并硬化。大多數超硬磨輪和密實(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。
圖5 樹(shù)脂砂輪壓制
冷壓是在液壓機上進(jìn)行的，壓縮強度為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。
圖6 壓制砂輪的理論硬度偏差示意圖
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）。內部摩擦和與模具壁的摩擦導致顆粒密度的偏差，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(shù)脂結合劑開(kāi)始流動(dòng)，并轉化為熔融質(zhì)量。酚醛樹(shù)脂中的水蒸發(fā)，樹(shù)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(shù)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：結構最終硬化，酚醛樹(shù)脂的交聯(lián)發(fā)生。應避免過(guò)度固化，因為過(guò)度固化的工具強度降低。（4）180-200°C：芐胺結構分裂，產(chǎn)生新的氨生成（見(jiàn)圖8）。樹(shù)脂結合劑變得脆性，但也變得熱穩定。（5）最終溫度水平（165-170，175-180，或185-195°C）顯著(zhù)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(zhù)的電損耗因子，這在酚醛醛樹(shù)脂中是常見(jiàn)的。
圖7 示例：兩款砂輪——不同寬度（bs）和類(lèi)似砂輪直徑（ds）條件下，固化溫度曲線(xiàn)示例。
圖8 樹(shù)脂結合劑砂輪固化時(shí)的溫度曲線(xiàn)和排放物
2.4 樹(shù)脂結合劑中的填料
樹(shù)脂結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，增強結合劑性能，改變外觀(guān)，等等。
樹(shù)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(shù)脂結合劑的百分比隨磨具硬度和密度的變化而變化（表1）。
表1 砂輪中常見(jiàn)的樹(shù)脂和填料含量百分比
在制造階段，填料可以引入氣孔?；狙趸?，如CaO和MgO，是加速硬化過(guò)程的填料。然而，CaO只應用于干磨操作的磨具，因為CaO填料在接觸冷卻潤滑劑時(shí)可以水化并轉化為CaCO3。
在磨削過(guò)程中，填料增強了結合劑的韌性、耐熱性、強度和爆裂阻力，或者它們作為次要磨料支持磨削過(guò)程。玻璃碎片增強了砂輪的內徑?？梢詫⒕哂懈邿釋实募毥饘俜勰┮氲浇Y合劑中，以改善工具在加工過(guò)程中的熱吸收。如：細銀粉， 325目或更細。此外，細硅酸鹽顆粒作為結合劑的增強劑。
引入到結合劑配方中的固體潤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載，
? 保持磨料顆粒的鋒利度。
如：325目或更細的砂輪的有機干膜潤滑劑聚四氟乙烯（PTFE）類(lèi)型。在其他應用中，潤滑劑FeS2和K2SO4改善了磨削質(zhì)量和通用性。細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?；镜慕橘|(zhì)中使用的磨料帶的樹(shù)脂結合劑必須進(jìn)行額外的穩定。當填料作為著(zhù)色劑時(shí)，填料可以改變工具的外觀(guān)。
3 樹(shù)脂結合劑的性能
樹(shù)脂結合劑具有相對較高的彈性。因此，這種結合劑類(lèi)型被選用于受到?jīng)_擊、側向負載、突然負載或高切削速度的砂輪。典型的應用是切割或粗加工。此外，樹(shù)脂結合劑對于完成過(guò)程以達到高表面質(zhì)量效果很好。然而，結合劑的彈性可能對尺寸精度產(chǎn)生負面影響。
樹(shù)脂粘合輪易于成型，但通過(guò)成型不能達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(shù)脂和填料含量百分比。在磨削過(guò)程中，只有使結合劑回退的工件材料才會(huì )導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)合金工具磨削的應用中。
密實(shí)的磨具表面是通過(guò)細磨料顆粒大小實(shí)現的。大顆粒和金屬顆粒鍍層改善了樹(shù)脂粘合系統中的結合力。某些填料，如CaO，不應接觸水。
此外，樹(shù)脂結合劑對熱敏感。超過(guò)200°C的溫度下開(kāi)始降解，磨料鍍層有助于散發(fā)磨削熱。樹(shù)脂砂輪的保質(zhì)期有限，應在兩年內使用。使結合劑樹(shù)脂硬化的聚縮反應不會(huì )導致完全硬化，因此樹(shù)脂結合劑的強度可能會(huì )因為大氣或化學(xué)暴露而改變。
以上內容轉載自：國磨質(zhì)檢NAQS。
