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      Cu-SiC磨削用磨具制備工藝及性能表征*

      2020-03-03 02:59:06侯天翔周松青劉紹杰許泳行鄧前軍
      陶瓷 2020年1期
      關(guān)鍵詞:銅粉磨具磨損率

      侯天翔 周松青 劉紹杰 許泳行 鄧前軍

      (佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 材料科學(xué)與能源工程學(xué)院 廣東 佛山 528000)

      前言

      磨具是由結(jié)合劑將磨料粘接在一起構(gòu)成用于磨削、研磨和拋光的工具,磨料、氣孔、結(jié)合劑是組成磨具的3個(gè)要素。磨料是制造磨具的主要原料之一,是磨具產(chǎn)生磨削、研磨、拋光作用的主體,用于打磨或磨削其他材料[1]。

      我國磨具工業(yè)發(fā)展迅速,隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展,產(chǎn)品向高磨削效率、低成本、長(zhǎng)使用壽命的方向發(fā)展[2]。目前市場(chǎng)上應(yīng)用于陶瓷、微晶玻璃及玻璃等脆性硬質(zhì)材料表面加工領(lǐng)域的磨具材料產(chǎn)品有不少,根據(jù)磨料種類主要分為金剛石系、碳化硅系以及剛玉系3大類[3~4]。

      初步拋光主要采用樹脂金剛石磨具[5~7],樹脂金剛石磨具耐磨性能好,使用時(shí)間長(zhǎng),但由于金剛石硬度大而韌性較差,樹脂結(jié)合劑的粘結(jié)力強(qiáng),磨料不易脫落容易產(chǎn)生刮痕、磨花現(xiàn)象,影響了陶瓷的光澤度。

      雖然目前市場(chǎng)上耐磨材料的種類不少,但高韌性耐磨材料仍然有待開發(fā),因此筆者通過研究Cu與SiC形成復(fù)雜系統(tǒng)的產(chǎn)物作為高韌性耐磨材料的原料,再加入樹脂結(jié)合劑提高原料的韌性,最后通過加入微晶剛玉這種填充劑來達(dá)到增強(qiáng)韌性、降低粗糙度的效果。

      Cu-SiC類復(fù)合材料的表面平整性大大加強(qiáng),結(jié)構(gòu)對(duì)比起來更加的致密,使得其既具備了碳化硅的高耐磨性,而且還攻克了碳化硅材料易脆的缺點(diǎn),韌性獲得顯著的加強(qiáng)[8]。筆者以環(huán)氧改性酚醛樹脂為結(jié)合劑,其擁有環(huán)氧樹脂不易產(chǎn)生體積變化、粘結(jié)磨料性能強(qiáng),韌性好的特點(diǎn),同時(shí)保持了酚醛樹脂的阻燃性能[9],樹脂在230 ℃以上就逐漸炭化,加工中的高溫使樹脂局部炭化產(chǎn)生自銳,提高了磨削的鋒利度從而又降低了磨削溫度,避免燒傷工件[10]。

      筆者制得復(fù)合材料Cu-微晶剛玉-SiC高耐磨磨具。該磨具原料主要由銅粉、微晶剛玉、酚醛環(huán)氧樹脂和碳化硅磨料組成。通過研究磨料添加量和不同種類輔助填料對(duì)磨塊磨損性能的影響,同時(shí)調(diào)節(jié)磨料和填料的比例去摸索最佳的樹脂磨具配方,從而實(shí)現(xiàn)開發(fā)應(yīng)用新型高強(qiáng)度樹脂磨具的目標(biāo)。

      1 實(shí)驗(yàn)部分

      1.1 實(shí)驗(yàn)原料

      實(shí)驗(yàn)所用原料有樹脂結(jié)合劑、磨料和填料(如表1所示)。

      表1 實(shí)驗(yàn)原料與產(chǎn)地Tab.1 Experimental raw materials and producing areas

      1.2 實(shí)驗(yàn)制備

      按照配方比例進(jìn)行配料(表1、表2、表3所示),將選取的碳化硅(1 000目)、微晶剛玉(800目)、銅粉(800目)、酚醛環(huán)氧樹脂粉(1 000目)放入電子烘箱在120 ℃下干燥2 h,按照配方用電子天平依次稱取樹脂粉末、磨料、填料放入燒杯中,并用玻璃棒充分?jǐn)噭蚧旌?、過篩,直至材料混合均勻。將混合料倒入模具中,攤料分布均勻,模具合模放進(jìn)液壓機(jī)中加熱壓制(溫度160 ℃、壓力970 kN、壓制時(shí)間12 min),壓制完成后脫模取出毛坯,裁剪邊幅制成成品,冷卻2 h。實(shí)驗(yàn)工藝流程圖如圖1所示。

      表2不同比例碳化硅/樹脂配方組成

      Tab.2Formulacompositionofdifferentproportionofsiliconcarbide/resin

      添加物編號(hào)ABCD碳化硅(%)35404550環(huán)氧樹脂(%)45403530

      表3不同種類樹脂結(jié)合劑的原料配方組成

      Tab.3Compositionofrawmaterialsfordifferentkindsofresinbinders

      圖1實(shí)驗(yàn)工藝流程圖

      表4有銅粉磨具的原料配方組成

      Tab.4Ingredientsofrawmaterialsforgrindingtoolswithcopperpowder

      編號(hào)環(huán)氧改性酚醛樹脂(g)碳化硅(800目)(g)微晶剛玉(800目)(g)Cu粉(800目)(g)Cu131.549.51.08Cu231.545.02.511Cu331.540.54.014Cu431.536.05.517

      1.3 實(shí)驗(yàn)的性能表征

      利用Axiocam ERc 5s金相顯微鏡對(duì)Cu-SiC材料的表面形貌觀察分析,利用手動(dòng)拋光機(jī)磨削對(duì)Cu-SiC復(fù)合材料的耐磨性能進(jìn)行測(cè)試,利用BS210S型電子分析天平對(duì)復(fù)合材料磨損質(zhì)量損失進(jìn)行測(cè)量。

      2 結(jié)果分析與討論

      2.1 SiC/樹脂的組成比例對(duì)磨塊磨損率的影響

      不同SiC/樹脂組成比例對(duì)磨損率影響,如圖2所示。

      圖2 不同SiC/樹脂組成比例對(duì)磨損率影響

      通過磨損性能測(cè)試,研究碳化硅和密胺樹脂的成分配比對(duì)磨塊的耐磨性能的影響,當(dāng)增加碳化硅在磨料中所占的含量時(shí),材料的磨損比先減小后增大,即磨損性能先變強(qiáng)后變?nèi)?。根?jù)材料破壞的分子理論,聚合物的破壞是高分子主鏈上化學(xué)鍵的斷裂或高分子主鏈間的相互作用力的破壞。當(dāng)碳化硅含量分別為磨料總含量的45%,密胺樹脂占35%,磨損比最小,即磨損性能最佳。

      2.2 樹脂種類對(duì)磨塊磨損率的影響

      本實(shí)驗(yàn)用了環(huán)氧改性樹脂和聚氨酯樹脂配方為35%樹脂和65%碳化硅磨塊進(jìn)行磨損測(cè)試,A、B組每組重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

      表5不同種類樹脂結(jié)合劑對(duì)磨損率的影響

      Tab.5Effectofdifferentkindsofresinbindersonwearrate

      名稱環(huán)氧改性樹脂磨塊聚氨酯樹脂磨塊磨塊磨損率1(質(zhì)量%)0.260.12磨塊磨損率2(質(zhì)量%)0.280.15磨塊磨損率3(質(zhì)量%)0.300.10平均磨塊磨損率(質(zhì)量%)0.280.12

      環(huán)氧改性樹脂磨塊的磨損率比聚氨酯樹脂磨塊高,因?yàn)榄h(huán)氧改性樹脂的粘結(jié)性能好,制備的樹脂磨塊具有致密性高、結(jié)合強(qiáng)度高和抗折強(qiáng)度高,環(huán)氧樹脂磨塊在磨削時(shí)不容易發(fā)生變形,環(huán)氧樹脂磨塊硬接觸磨削陶瓷片。而聚氨酯樹脂制備的磨塊具有彈性、耐撕裂性和微孔[11],在磨削過程中減少磨塊對(duì)陶瓷片硬接觸,磨塊會(huì)彈性形變保護(hù)磨塊結(jié)構(gòu),能夠提高磨塊的耐磨性。環(huán)氧樹脂磨塊的陶瓷磨削效率比聚氨酯樹脂磨塊高59%。因?yàn)榄h(huán)氧樹脂磨塊的強(qiáng)度高,提供給碳化硅磨料結(jié)合力高,能夠在磨削過程承受高應(yīng)力,磨料在一定時(shí)間內(nèi)不會(huì)崩壞,提供不錯(cuò)的磨削效率。聚氨酯樹脂磨塊有彈性好,在磨削過程中,磨塊會(huì)發(fā)生彈性形變來保護(hù)磨塊,從而降低磨削效率。環(huán)氧樹脂的磨損比比聚氨酯樹脂磨塊低。樹脂磨塊的磨損性能受樹脂的性能影響。

      2.3 銅粉添加量對(duì)于磨塊磨損率的影響

      銅粉添加量對(duì)于磨塊磨損率的影響,如圖3所示。

      圖3 銅添加量對(duì)磨損率的影響(質(zhì)量百分比)

      由圖3可知,加入銅粉后,復(fù)合材料的磨損率曲線發(fā)生變化,曲線趨勢(shì)為先降后升。結(jié)果顯示,銅粉加入量3~5 g時(shí),磨損率呈現(xiàn)下降狀態(tài),而曲線的最低點(diǎn)為碳化硅含量45%;銅粉加入量為14 g,此時(shí)的磨損率為0.18%,比沒有加入銅粉之前的磨損率低。說明復(fù)合材料加入銅粉在一定程度上可以減少磨具的磨損率。但是當(dāng)銅粉添加量到達(dá)17 g時(shí),磨損率反而升高至0.23%,磨損率不降反增。

      原因?yàn)榧尤脒m量銅粉后,能夠提高材料導(dǎo)熱性能而使摩擦表面的溫度降低,從而減少了樹脂粘合劑的分解,而比SiC更軟、韌性更高的銅粉,使得磨具在一定程度上耐磨性功能上升。同時(shí)摩擦性能相對(duì)于“SiC/瓷質(zhì)磚顯著提高”,原因是摩擦界面變?yōu)椋骸癝iC-銅/瓷質(zhì)磚SiC-銅/釉”,同時(shí)可以阻止磨具中SiC微裂紋的擴(kuò)展,有利于降低SiC磨損、提高磨具使用壽命。SiC磨料中加入銅粉后摩擦變?yōu)镾iC-銅/瓷質(zhì)磚,測(cè)試后可以從表面看出(如圖4所示)磨損機(jī)理發(fā)生改變:以磨粒磨損為主,磨粒起到了磨料作用。

      圖4 未添加銅粉磨損顯微結(jié)構(gòu)

      2.4 磨塊表面分析及其磨損機(jī)理

      添加銅粉磨損顯微結(jié)構(gòu),如圖5所示。

      圖5 添加銅粉磨損顯微結(jié)構(gòu)

      由圖5可見,用不加入銅粉的碳化硅磨塊去做磨損性能測(cè)試,瓷磚在放大200倍的條件下觀察,表面形成了4個(gè)孔洞,有明顯犁溝磨痕,因此磨損機(jī)理以較嚴(yán)重的磨粒磨損和犁溝磨損為主。在磨削過程中容易把瓷磚表面的顆粒拔出來,出現(xiàn)孔洞。瓷磚體為粗糙孔隙,孔洞是不規(guī)則形狀,孔壁覆蓋著半球形晶粒,瓷磚從上到下分層,大多晶粒與晶粒之間有較大的間隙,孔的底部不平整,覆蓋有半球形的晶體和小孔,孔中的結(jié)構(gòu)和孔隙相同,孔面是原來的瓷磚自身的瓷磚晶粒。因?yàn)榇纱u在壓實(shí)過程中由于空氣不能排去,因而儲(chǔ)藏在瓷磚內(nèi),導(dǎo)致瓷磚組織疏松,在加工過程中,這些晶粒與瓷磚體脫落后形成氣孔。

      碳化硅磨塊配方改良后,瓷磚表面只有1個(gè)孔洞,沒有犁溝磨損,沒有裂痕。改良后的碳化硅磨具磨損面上塑性變形基本消失,相比不加入銅粉的磨塊,本次磨損機(jī)理發(fā)生了改變,主要特征為輕度的磨粒磨損。

      因此,加入銅粉是磨損率下降的原因。加入比SiC軟、斷裂韌性高的銅粉后,摩擦學(xué)性能相對(duì)于“SiC/瓷質(zhì)磚”顯著提高,摩擦界面變?yōu)椋骸癝iC-銅/瓷質(zhì)磚SiC-銅/釉”,在磨削拋光制品表面過程中會(huì)形成近于微米顆粒的轉(zhuǎn)移層,大大減少了制品表面損傷和微觀缺陷,同時(shí)可以阻止磨具中SiC微裂紋的擴(kuò)展,有利于降低SiC磨損,提高磨具使用壽命。SiC磨料中加入銅后摩擦變?yōu)镾iC-銅/瓷質(zhì)磚,測(cè)試后可以從表面看出磨損機(jī)理發(fā)生改變:以輕度磨粒磨損為主,磨粒起到了磨料作用。

      3 結(jié)論

      1)考察了SiC顆粒的添加量對(duì)復(fù)合材料磨損性能的影響。通過對(duì)比不同SiC顆粒的添加量對(duì)復(fù)合材料磨損性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)樹脂含量為35%、SiC顆粒的含量為50%時(shí),復(fù)合材料的磨損率最低。

      2)研究了銅粉添加量對(duì)SiC復(fù)合材料磨損磨削的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)復(fù)合材料加入適度銅粉時(shí),磨具磨損率會(huì)進(jìn)一步降低。但是銅粉添加過量時(shí),磨損率會(huì)不降反增。最終得到最佳配方組成為:35%樹脂、45%碳化硅、4.44%白剛玉、15.56%銅粉。

      3)加入銅粉后磨損率下降的原因?yàn)椋杭尤氡萐iC軟、斷裂韌性高的銅粉后,摩擦學(xué)性能相對(duì)于“SiC/瓷質(zhì)磚”顯著提高,摩擦界面變?yōu)椋骸癝iC-銅/瓷質(zhì)磚SiC-銅/釉”,在磨削拋光制品表面過程中會(huì)形成近于微米顆粒的轉(zhuǎn)移層,大大減少了制品表面損傷和微觀缺陷,同時(shí)可以阻止磨具中SiC微裂紋的擴(kuò)展,有利于降低SiC磨損、提高磨具使用壽命。SiC磨料中加入銅后摩擦變?yōu)镾iC-銅/瓷質(zhì)磚,測(cè)試后可以從表面看出磨損機(jī)理發(fā)生改變:以輕度磨粒磨損為主,磨粒起到了磨料作用。

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