不同润湿剂对陶瓷结合剂CBN砂轮成型料性能的影响

2019-03-08李鹤南王志起孙鹏辉王朝富席耀辉

金刚石与磨料磨具工程 2019年1期

李鹤南，王志起，刘宾，孙鹏辉，王朝富，席耀辉

(郑州磨料磨具磨削研究所有限公司，郑州 450001)

陶瓷结合剂砂轮中的结合剂、磨料、填料大多都是颗粒状或粉状物，都属于瘠性料。混料时，为使成型料具有一定的成型性，需加入起临时润湿和黏结作用的润湿剂。常见的陶瓷结合剂CBN砂轮用润湿剂有多种类型，如糊精液、聚乙烯醇(PVA)溶液、羧甲基纤维素钠(CMC)溶液等[1]，均属于有机物类型，润湿性能好，在砂轮烧成的过程中能被烧尽，但黏结性差，砂轮湿坯强度较低；也有水玻璃等无机物类型[2]，该类型润湿剂黏结性能好，成型砂轮湿坯强度高，但会对陶瓷结合剂成分造成污染，且不易控制。

近年来，针对陶瓷结合剂砂轮用润湿剂及混合料的成型性等方面，学者们开展了诸多研究。卓俭明等[3]研究了一种新型的改性渣油乳化液润湿剂，获得了松散性、保存性好的成型料，成型制品具有自硬性，湿坯固结干燥速度快，干强度高；王学涛等[4]选定甘油作为成型料松散度调节剂，对加入甘油后成型料的松散性、流动性以及成型料压制出的湿、干坯强度进行研究，结果显示成型料添加甘油后，其松散性、流动性均有大幅提升，年度组织不均废品率由原来的5.40%降至2.00%；俞才兴[5]对影响陶瓷磨具坯体湿干强度的因素做了对比分析，结果表明润湿剂对坯体湿、干强度影响最大。

实验以糊精液作对比，研究4种新型润湿剂对成型料以及对陶瓷结合剂CBN砂轮成型均匀性的影响。

1 实验条件及过程

实验选取聚乙烯醇缩丁醛(以下简称PVB)乙醇溶液、聚丙烯酰胺(单体质量分数低于0.02%)(以下简称PAM)水溶液、聚乙二醇(以下简称PEG-6000)水溶液、异丁烯-马来酸酐共聚物(以下简称ISOBAM-110)水溶液等4种新型润湿剂，对比组为糊精液，所有润湿剂的质量分数均为20%，所选取的润湿剂均为无毒型有机物，属于绿色环保产品。采用粒度号为80/100的CBN磨料与陶瓷结合剂按照8∶2的质量比配混料，润湿剂加入量为配混料总质量的6%。混料工艺采用手工混料，首先使用润湿剂润湿CBN磨料，然后加入陶瓷结合剂，并充分搅拌混匀，将混匀的成型料过18目筛网2遍，备用。

对混合均匀的成型料进行分析，在显微镜下观察结合剂在磨料表面的包裹性及均匀性。用松装密度测定仪测量不同润湿剂所混的CBN成型料的松装密度。称取混合均匀的成型料分别压制成50 mm×5 mm×6 mm的试样条备用。

图1为陶瓷结合剂CBN试条湿坯强度测试示意图。具体测试方法如下：在CBN试条的一端放置0.25 N的载荷，以0.2 m/min的速度缓慢向前移动直至试条断裂，断裂后测量伸出一侧的试样长度，以此值来表示不同润湿剂成型料的湿坯强度。用同样的工艺将成型料压制成1A8 18 mm×35 mm×12 mm的内圆磨砂轮，烧成后将砂轮沿轴向分割成等高的5段，测量每段的外径和内径，并计算体积，砂轮组织均匀性用不均匀率σ表征，用公式(1)计算。用美国FEI公司生产的Inspect S50扫描电子显微镜观察不同润湿剂成型的内圆磨砂轮烧成后的断口形貌。

(1)

2 结果与分析

2.1 成型料混合均匀性对比

图2为不同类型润湿剂成型料的微观照片。

(a)糊精液(b)PVB(c)PAM(d)PEG-6000(e)ISOBAM-110图2 不同类型润湿剂成型料微观照片对比Fig. 2 Comparison of microscopic photos of mixtures with different wetting agents

从图2a可以看出：糊精液为润湿剂所混成型料中的结合剂在磨料表面能够形成基本的包裹，但由于糊精液为水溶性润湿剂，没有成膜能力，结合剂在磨料表面包裹的厚度一致性较差，且有磨料团聚现象存在。

由图2b可看出：PVB混合的成型料结合剂“跑粉”严重，从磨料表面大量脱落，即结合剂与磨料出现分离现象。这是因为乙醇挥发速度较快，PVB乙醇溶液干燥后不能在磨料表面形成黏结强度较高的覆盖层，导致游离的结合剂较多，即所谓的“跑粉”。

从图2d中看出：使用PEG-6000所混成型料也有类似的掉渣现象，还看到有明显的未被打开的结合剂团，说明该润湿剂分散性和对磨料的润湿性都较差。

采用PAM(如图2c)和ISOBAM-110(如图2e)作润湿剂时，结合剂均能较好地形成对CBN磨料的包裹，未见结合剂与磨料有明显的分离现象，说明这2种润湿剂在磨料表面的润湿性和黏结性均较好，对成型料混合均匀性有较好的改善作用。

2.2 成型料松装密度对比

成型料的松装密度对砂轮成型性有明显影响，松散性越好，流动性也越好，砂轮在成型过程中投料也比较容易。5种润湿剂成型料松装密度测试结果如图3所示。从图3中可以看出：用PAM混合的成型料松装密度最大，较糊精液所混成型料的松装密度提升了51.14%；采用ISOBAM-110混合料的次之，较糊精液的提升了46.59%；PEG-6000所混成型料最低。这是因为用PAM和ISOBAM-110作为润湿剂时，结合剂在磨料表面形成均匀的包裹层，没有出现结合剂或结合剂与磨料形成的结团，混合料颗粒大小均匀一致，在自然堆积的过程中流动性好，可以均匀填充空隙；而采用PEG-6000所混成型料出现了结合剂团聚现象，且磨粒之间粘连严重，造成成型料内部颗粒大小不一，流动性差，因此松装密度也较小。

2.3 CBN试条湿坯强度对比

衡量润湿剂性能的另外一个重要指标就是砂轮的湿坯强度。砂轮在制作和搬运的过程中如果湿坯强度不够，就会造成砂轮的直接损坏或隐形损伤。由于陶瓷结合剂砂轮的湿坯强度相对较低，无法采用常规的三点弯曲法进行测试，因此采用图2所示的专用测试方法，以CBN试条断裂的长度来表征湿坯强度。图4为不同类型润湿剂CBN试条湿坯强度测试结果。

从图4可看出：糊精液为润湿剂的CBN试条湿坯可承受的断裂长度为18.13 mm，PAM的断裂长度为24.49 mm，较糊精液的提升35.08%，ISOBAM-110的断裂长度次之，较糊精液的提升17.71%，PVB的断裂长度最小。这表明：采用PAM和ISOBAM-110作为润湿剂，可以较为有效地提升湿坯的强度，大大改善砂轮的成品率，而PVB作为润湿剂对砂轮湿坯强度有降低的趋势。对照图2可知：若结合剂能在磨料表面均匀包裹，则说明该润湿剂分散性和黏结性均较好；若结合剂从磨料表面剥落，则说明该润湿剂黏性较差。因此，分散性和黏结性能较好的PAM和ISOBAM-110能够获得较好的湿坯强度，而黏结性能较差的PVB湿坯强度也最低。

2.4 CBN砂轮组织均匀性对比

表1是使用不同润湿剂混料对砂轮密度均匀性的影响情况。图5为不同润湿剂成型砂轮断面形貌。

从表1中可知：使用优选出来的3种润湿剂制成的砂轮密度均匀性优劣依次为ISOBAM-110>PAM>糊精液>PEG-6000，使用ISOBAM-110和PAM作为润湿剂成型的砂轮不均匀率较糊精液分别降低了23.75%和8.75%。

对比图5发现：使用不同类型的润湿剂成型的砂轮在烧成后断口形貌也有明显的差异，使用ISOBAM-110和PAM成型的砂轮组织分布均匀，磨料和结合剂桥衔接一致，气孔呈均匀弥散状分布；而采用PEG-6000成型的砂轮有明显的磨料和结合剂团存在，且结合剂桥大小不一，气孔分布极不均匀，易对砂轮实际磨削时的稳定性产生不利影响。结合图2和图3可知：采用ISOBAM-110和PAM所混成型料，结合剂在CBN磨料表面包裹较为均匀，单个成型料颗粒近似呈球形，流动性好，松装密度大，在成型过程中，成型料颗粒之间以及成型料与模具之间摩擦力较小，不容易出现“搭桥”现象，因此，二者成型的砂轮的组织均匀性均有明显提升。

表1 不同润湿剂对砂轮密度均匀性的影响Table 1 Effect of different wetting agents on the uniformity of grinding wheel density

(a)糊精液(b)PAM(c)PEG-6000(d)ISOBAM-110图5 不同润湿剂成型砂轮断面形貌Fig. 5 Cross-sectional morphology of grinding wheels made from mixtures with different wetting agents