陈春晖， 陈 哲， 刘一波， 黄 霞， 卜宏基, 刘 伟, 孔帅斐

(1. 钢铁研究总院， 北京 100081) (2. 北京安泰钢研超硬材料制品有限责任公司， 北京 102200) (3. 广西柳州华地探矿机械厂， 广西 柳州 545005)

超硬材料树脂磨具是以金刚石或立方氮化硼为磨料，以树脂为黏结剂，加入适当的填充材料，通过配制、混合、热压成型、硬化、机械加工等工艺过程制成的具有一定几何形状、能适应不同磨削要求的一种加工工具[1]。在金属、陶瓷、树脂三大结合剂磨具中，树脂结合剂磨具用量最大，占总量的60%以上[2]。树脂结合剂砂轮具有自锐性好，磨削效率高，磨具弹性好，加工工件表面不易烧伤、表面粗糙度低等优点，广泛应用于硬质合金、玻璃、陶瓷等工件的精密磨削。

树脂磨具黏结剂一般有酚醛树脂(phenolic resin，PF)、聚酰亚胺、环氧树脂等3类。PF由于价格低、固化温度低而被广泛应用于树脂磨具中。PF树脂磨具由胎体、磨料、气孔组成，胎体由PF和各种填料组成，PF作为黏结剂在胎体中含量不可过低。工业实践表明：在树脂超硬磨具中，胎体中PF所占体积分数一般在40%～75%[3]。树脂结合剂超硬磨具最主要的缺点是由于PF的耐热温度较低，导致砂轮在使用过程中PF受瞬时高温作用而分解，极大地降低了砂轮的使用寿命，造成磨料的利用率降低。为解决树脂结合剂砂轮耐热性问题，国内外学者尝试各种方法改性PF，主要有有机改性、无机改性、纳米改性等3种方式[4-6]。随着改性PF技术的成熟，用于超硬材料砂轮的PF种类也不断增加。

由于工件材质、磨削环境不同，所需PF的机械性能也不同。学者们对不同方式改性PF的耐热性、机械强度、磨削性能做了大量研究。徐翠萍等[7]探究了硼酸和N-(4-羟基苯基)马来酰亚胺联合改性PF的耐热温度及机械性能；师超钰等[8]分别探究了耐热PF、增韧PF、未改性PF的机械性能并探究了PF性能对金刚石砂轮性能的影响；史冬丽等[9]分析了普通树脂与2种改性树脂对树脂结合剂金刚石砂轮磨削性能的影响，并探究了强度与磨削性能的关系；邢介明等[10]探究了普通PF与改性PF力学性能的不同，并分析了其在重负荷砂轮中的应用；包华等[11]总结了现代检测技术在超硬材料磨具中的应用，指出综合热分析为树脂结合剂磨具的重要检测方法之一。目前报道的对磨具用PF机械性能的研究，大多通过制作纯PF试条或添加50% SiC试条进行探究，这与实际生产中所用胎体配方有较大差别，其力学性能也很难反映树脂磨具性能。若采用实际生产中的磨具胎体配方来制备胎体试条，能更真实地反映磨具性能，为实际生产中PF的选择提供参考。

选用4种专用于树脂结合剂超硬材料砂轮的改性PF，通过综合热分析探究其热性能，并按实际生产配方制作胎体标准样条，探究4种胎体在硬度、抗弯强度的差异。

1 实验条件及方法

1.1 原料及设备

胎体中填料为325目雾化铜粉；CaCO3、Cr2O3、ZnO、石墨，均为400目以细粉末。胎体中PF质量分数为15%，辅料配方如表1所示。4种不同PF分别为：3031是一种改性耐热酚醛树脂；3032是一种苯酚烷基改性酚醛树脂；3033是一种增韧改性酚醛树脂；3034是一种改性酚醛清漆型酚醛树脂，含有增强剂(弹性玻璃纤维织物)。4种树脂粉基本参数如表2所示，试验设备如表3所示。

表1 PF胎体配方

表2 各酚醛树脂理化性能指标

表3 实验设备

1.2 实验与表征方法

通过NETZSCH STA 449F3同步热分析仪在真空气氛保护中测得4种改性PF的DSC-TG曲线，升温速率为10 ℃/min。检测前先升温至110 ℃，再快速降温至30 ℃，以消除热历史，避免树脂在存放过程中吸水、重结晶、聚团等影响实验数据真实性，然后升至600 ℃测其DSC-TG曲线。受多种因素影响，TG曲线确定有机物起始分解温度往往不准确。本研究中以失重30%时的温度为分解温度，来评价不同树脂的热稳定性。采用相同的混料方法与制备工艺(如表4)制备40 mm×10 mm×10 mm的标准样条，通过万能力学试验机与洛氏硬度仪测其抗弯强度、弹性模量、洛氏硬度，为保证数据准确性，每种标准样条测5次，取平均值。

表4 树脂结合剂胎体试条制备工艺

使用超景深显微镜分析PF树脂胎体的显微结构。

2 结果及分析

2.1 酚醛树脂结合剂热性能

通过综合热分析探究PF热性能，分析其DSC曲线与TG曲线。PF的DSC曲线中主要有3个明显特征峰，分别出现在低温熔融区、中温固化区、高温分解区。低温熔融区PF软化、熔融，此时的PF流动性最好。中温固化区PF由凝胶态向玻璃态转变进而交联固化形成网状结构。PF的固化是复杂的加成和缩聚反应，涉及从凝胶态向固态的转变、引发、链增长、交联、反应终止、扩散[12]。高温分解区PF因无法承受高温而断链分解[13]。TG曲线可表征PF从软化到分解过程中的质量变化，反映PF受热过程中物质挥发行为。

设定温度区间涵盖每种PF固化反应所需的温度，4种PF综合热分析图如图1所示。从图1中可以看出：PF固化特征峰出现在145～180 ℃之间；DSC曲线中4种树脂的分解吸热峰均在400 ℃以上，说明改性酚醛树脂的耐热温度都较高。

由4种PF的TG曲线可以看出：在熔融区内树脂质量无变化，表明没有物质的挥发；中温固化区PF质量有约3%～5%的损失，这是由于固化初期，催化剂六次亚甲基四胺反应生成NH3挥发，另外一个原因可能是由于PF中含有少量水分；PF质量大量减少出现在高温分解区，此时树脂分解成CO2和H2O挥发。由TG曲线得4种PF所对应的分解温度分别为552、527、557、457 ℃。3033的分解温度最高，3034的分解温度较3033的分解温度低17.9%，这可能是由于玻璃纤维织物的引入造成的。

(a) 3031

(b) 3032

(c) 3033

(d) 3034图1 4种PF树脂的同步热分析

2.2 酚醛树脂结合剂胎体硬度

磨具的硬度是指磨粒在外力作用下从磨具表面脱落的难易程度。当磨料尺寸小于80 μm时，胎体的洛氏硬度可以反映磨具硬度。硬度高的磨具，磨粒难以脱落，自锐性较差、寿命较长；硬度低的磨具，磨粒容易脱落，自锐性较好、磨削效率较高、寿命较短。图2为4种胎体的洛氏硬度。由图2可知：4种胎体洛氏硬度(HRB)分别为64、53、64、41；3031与3033硬度相同，而3034的硬度仅为3031的64%。本实验中4种胎体混料和制备工艺相同，排除了制备工艺对不同胎体洛氏硬度的影响，所以胎体洛氏硬度的差异主要源于PF本身结构不同。

从图2的结果还可以推断以3031、3033为结合剂的磨具寿命较长，而以3034为结合剂的磨具效率较高。

图2 4种胎体的洛氏硬度

2.3 酚醛树脂结合剂胎体抗弯强度

砂轮胎体的力学性能主要有抗拉强度、抗折强度、抗冲击强度、弯曲弹性模量等，其中胎体抗弯强度可以反映磨具最大弯曲应力和弯曲极限。砂轮具有一定的抗弯强度，才能保证磨具的使用安全。

图3为4种胎体的抗弯强度。由图3可知：4种胎体的抗弯强度分别为87、65、78、50 MPa。相同制备工艺条件下的不同PF胎体，3034的抗弯强度仅为3031的57.5%。这是由PF本身的性质决定的。树脂结合剂固化后形成三维网状结构，不同PF由于生产和改性方式不同，分子键的链长、键能和侧链的结构不同，所以制备出的胎体的抗弯强度也存在较大差异。另外，不同改性方式对酚醛树脂性能的影响也不同。3034加入玻璃纤维织物使树脂具有良好的弹性、黏性、柔性，所以相对于其他改性酚醛树脂，3034树脂具有较低的抗弯强度。

图3 4种胎体的抗弯强度

2.4 酚醛树脂结合剂胎体表面形貌分析

树脂结合剂胎体中，只有有机结合剂反应形成化学键，从而构成牢固的三维网状结构；磨料和填料均匀分布在三维网状骨架中，其作用仅有物理吸附与机械啮合，没有化学键的形成。图4为4种PF胎体的显微结构。由图4可知：4种PF结合剂胎体的组织都比较均匀，铜粉均匀地分布于胎体中，PF对铜粉的把持良好，中间没有出现孔隙或裂纹。在砂轮工作过程中铜粉能发挥导热作用，防止PF在瞬时高温中分解，且由于其粒度较细，在胎体制备过程中会随着PF的软化流动而均匀包覆于胎体中，这也是许多金属氧化物具有补强作用的原因。

(a) 3031(b) 3032(c) 3033(d) 3034图4 4种PF胎体的显微结构Fig. 4 Micro structures of 4 PF carcass

3 结论

(1)依据4种改性酚醛树脂DSC-TG曲线，4种PF的分解温度分别为552、527、557、457 ℃。

(2)由于PF改性方式不同，其胎体力学性能具有很大差异。4种胎体的洛氏硬度(HRB)分别为64、53、64、41，3034的硬度仅为3031的硬度的64%；4种PF胎体的抗弯强度分别为87、65、78、50 MPa，3031抗弯强度最高，3034最低，仅为3031的抗弯强度的57.5%。3031的力学性能较好，适合应用于重负荷砂轮；3034的硬度与抗弯强度都较低，可应用于磨削力较小的精密磨削。

(3) PF改性方式不同，导致其对砂轮胎体机械性能的影响具也有较大差异。在选择树脂磨具用PF种类时，可根据胎体机械性能进行合理选择。