CN104440600B - 一种砂轮用复合基体材料、制备方法及砂轮 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种砂轮用复合基体材料、制备方法及砂轮，该复合基体材料包含以下质量百分比的组分：棕刚玉烟尘30％～60％、聚酰亚胺树脂25％～55％、金属添加剂10％～20％、硅烷偶联剂0.2％～2％。本发明的砂轮用复合基体材料，基体成分中含有与磨料层成分相同或相近的聚酰亚胺树脂和棕刚玉生产中的回收物，基体与磨料层之间的界面相容性好，界面结合强度高，磨料层不易脱环或掉块；具有自消耗作用，在与工件接触时可以在磨削力作用下像磨料层一样脱落，不会损伤工件，而且可以提高砂轮的磨削质量；用于聚酰亚胺树脂结合剂砂轮，具有抗压、减振、提高砂轮加工质量的作用。

Description

一种砂轮用复合基体材料、制备方法及砂轮
技术领域
本发明属于砂轮技术领域，具体涉及一种砂轮用复合基体材料，同时还涉及一种砂轮用复合基体材料的制备方法及使用该基体材料的砂轮。
背景技术
砂轮是指用磨料和结合剂等制成的中央有通孔的固结磨具，其是磨具中用量最大、使用面最广的一种，使用时高速旋转，适用于加工各种金属和非金属材料。砂轮的种类繁多，不同砂轮可分别对工件的外圆、内圆、平面和各种型面等进行粗磨、半精磨和精磨，以及切断和开槽等。砂轮按所用磨料不同，分为普通磨料(刚玉和碳化硅等)砂轮和超硬磨料(金刚石和立方氮化硼)砂轮两类。
超硬磨料砂轮是用金刚石或立方氮化硼磨料制成的砂轮，一般包括基体和磨料层。传统的超硬磨料砂轮常用的基体材料是铝基体、钢基体等。上述基体材料经过初步加工后制成砂轮基体毛坯，然后与磨料层一起进行热压成型或将磨料层粘接到基体上制备出砂轮。如专利CN202922423U公开了一种碗型树脂金刚石砂轮，包括碗型铝基体，碗型铝基体底部中心设有固定孔，碗型铝基体的上边沿设有环形工作层；专利CN103600308A公开了一种复合结合剂金刚石砂轮的制备方法，其步骤3)是将加工好的钢基体置入模具中，即使用的是钢基体。上述基体的缺点是：(1)磨料层与基体之间的界面结合强度低，磨料层易脱环或掉块；(2)基体在磨削过程中不具有自消耗作用，会损伤工件，导致被加工工件的表面质量降低甚至砂轮无法继续使用；(3)基体刚性与磨料层匹配性差，降低砂轮磨削质量。
发明内容
本发明的目的是提供一种砂轮用复合基体材料，解决现有超硬磨料砂轮基体与磨料层界面结合强度低、无自消耗作用，易对加工工件产生损伤的问题。
本发明的第二个目的是提供一种砂轮用复合基体材料的制备方法。
本发明的第三个目的是提供一种使用上述复合基体材料的砂轮。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种砂轮用复合基体材料，包含以下质量百分比的组分：棕刚玉烟尘30％～60％、聚酰亚胺树脂25％～55％、金属添加剂10％～20％、硅烷偶联剂0.2％～2％。
所述棕刚玉烟尘为棕刚玉生产过程中排放的烟尘回收物。
所述聚酰亚胺树脂为热固性聚酰亚胺树脂。
所述金属添加剂为铜粉、铁粉、铝粉、锡粉、锌粉中的任意一种或多种。
所述铁粉为还原铁粉。
所述硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(KH560)、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(KH570)中的任意一种或多种。
一种上述的砂轮用复合基体材料的制备方法，包括下列步骤：
1)取硅烷偶联剂用水稀释后，加入棕刚玉烟尘，混合均匀后干燥，过筛，得混合粉A；
2)取聚酰亚胺树脂粉、金属添加剂粉与步骤1)所得混合粉A混合均匀，得混合粉B；
3)将步骤2)所得混合粉B置于模具中，热压成型，即得所述砂轮用复合基体材料。
步骤1)中，所述稀释倍数不小于100倍。
步骤1)中，所述干燥的温度为80～100℃，干燥时间为8～12h。
步骤3)中，所述热压成型的温度为200～250℃，保温30～120min。
所述棕刚玉烟尘为棕刚玉生产过程中的烟尘回收料，主要成分是Al2O3、SiO2等，其粒径分配及百分表如下表1所示。将棕刚玉烟尘回收后进行粒度分级，选择比磨料层主要磨料粒径小50％及以上的棕刚玉烟尘回收料制备相对应的砂轮基体。
表1棕刚玉烟尘的粒级分配和百分比表
粒径(μm) 百分比(％) 累计(％)
0.00～1.00 32.29 32.29
1.00～3.00 20.68 52.97
3.00～6.00 9.68 62.65
6.00～10.00 2.98 65.54
10.00～15.00 1.93 64.47
15.00～20.00 3.34 70.81
20.00～25.00 2.33 73.14
25.00～30.00 2.86 76.00
≥30 33.91 100
所述聚酰亚胺树脂粉为热固性聚酰亚胺树脂粉。所述聚酰亚胺树脂粉的技术条件如表2所示。
表2热固性聚酰亚胺树脂粉的技术条件
项目 要求
外观 粉末状
熔点(℃) 105～135
≤40μm粒径比例(％) ≥95
马丁耐热(℃) ≥260
DMF不溶物含量(％) ＜5
170℃凝胶时间(S) 150～600
所述金属添加剂粉的粒径≤100μm。
一种砂轮，包括基体和附着在基体表面的磨料层，所述基体为上述的基体材料，所述磨料层包括磨料和结合剂，所述结合剂含有聚酰亚胺树脂。
其中，所述磨料层包含以下体积百分比的组分：金刚石25％、热固性聚酰亚胺树脂30％～60％、铜粉5％～12％、Al2O310％～35％。
本发明的砂轮用复合基体材料，主要由棕刚玉烟尘、聚酰亚胺树脂、金属添加剂、硅烷偶联剂组成，所述基体材料中棕刚玉烟尘作为基体材料中的无机相，具有填充增强、参与磨削和自消耗作用；所述聚酰亚胺树脂粉作为基体材料中的连续相，主要起粘接作用，可提高与砂轮层的粘接强度；所述金属添加剂具有填充增强、导热等作用；所述硅烷偶联剂具有提高各相间作用力的作用。
该复合基体材料与现有技术相比具有以下优点：
1)该复合基体材料与磨料层结合强度高，尤其适用于聚酰亚胺树脂结合剂超硬磨料砂轮；基体成分中含有与磨料层性能较为接近的树脂和无机物，复合基体材料中的聚酰亚胺树脂与砂轮结合剂中的聚酰亚胺树脂成分相同或相近，基体与磨料层之间的界面相容性好，界面结合强度高，磨料层不易脱环或掉块；使磨料层脱环率降到5％以下；
2)该复合基体材料具有自消耗作用，由于基体材料中的棕刚玉烟尘的主要成分与普通磨料相同或相近，在与工件接触时可以在磨削力作用下像磨料层一样脱落，不会损伤工件，而且可以提高砂轮的利用率及磨削质量；
3)该复合基体材料用于聚酰亚胺树脂结合剂砂轮，具有抗压、减振、提高砂轮加工质量的作用。
进一步，该复合基体材料中的棕刚玉烟尘采用棕刚玉生产过程中的烟尘回收料，对棕刚玉生产过程中的大气污染物烟尘进行回收利用，节能环保，达到废物回收利用和降低基体成本的目的。
本发明的砂轮用复合基体材料的制备方法，是先将硅烷偶联剂喷洒在棕刚玉烟尘的表面，再与聚酰亚胺树脂粉、金属添加剂粉混合，根据砂轮规格装模热压成型；硅烷偶联剂均匀的附着在棕刚玉烟尘的表面，增强了各组分粉体之间的结合力，从而提高了基体材料的强度；该制备方法可根据砂轮的形状和规格制作基体模具，从而调节砂轮基体的形状和尺寸；制备工艺简单，操作方便，易于自动化控制，成本低，适合大规模工业化生产。
本发明的砂轮，是一种聚酰亚胺树脂结合剂砂轮，以包含棕刚玉烟尘、聚酰亚胺树脂、金属添加剂、硅烷偶联剂的复合基体材料为基体，基体表面附着有磨料层，磨料层包含磨料和结合剂，所述结合剂含有聚酰亚胺树脂；基体在砂轮中对磨料层起支撑和粘接作用，以完成磨削过程；基体中的聚酰亚胺树脂与砂轮结合剂中的聚酰亚胺树脂成分相同或相近，基体与磨料层之间的界面相容性好，界面结合强度高，磨料层不易脱环或掉块；基体具有自消耗作用，该砂轮工作时基体可以在磨削力作用下像磨料层一样脱落，不会损伤工件，而且可以提高砂轮的利用率及磨削质量；同时，该砂轮的抗压、减振作用强，加工质量高，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为实施例1所得聚酰亚胺树脂结合剂磨整体刀具后角砂轮的结构示意图；
图2为实施例2所得一种聚酰亚胺树脂结合剂磨PCB刀具砂轮的结构示意图；
图3为实验例1中实验样品“8”字块的结构示意图；
图4为实验例1中实验样品油石条的结构示意图；
图5为实验例2中实验样品“8”字块的结构示意图；
图6为实验例2中实验样品油石条的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
实施例1
本实施例的砂轮用复合基体材料，包含以下质量百分比的组分：
本实施例的砂轮用复合基体材料的制备方法，包括下列步骤：
1)取γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)，按照1:100的稀释比例用水稀释后，以雾状喷到棕刚玉烟尘表面，混合均匀后，置于80℃鼓风烘箱中干燥12h，过筛，得混合粉A；
2)取配方量的热固性聚酰亚胺树脂粉、铜粉与步骤1)所得混合粉A，置于混料机中，混合分散2h至混合均匀，得混合粉B；
3)根据砂轮形状规格选择基体模具，将步骤2)所得混合粉B置于模具中，刮平，置于热压机操作台，在200℃热压压平，并根据工件大小保温100min使其成型，即得砂轮用复合基体材料。
其中，所述铜粉为电解铜粉，粒度300目，纯度≥95％。
根据砂轮的成型要求，将所得砂轮用复合基体材料加工后备用。
本实施例的砂轮，如图1所示，是一种聚酰亚胺树脂结合剂磨整体刀具后角的砂轮，包括碗型基体1，碗型基体底部中心设有安装孔；碗型基体上边沿外侧表面设有环形磨料层2，磨料层2高出基体1的上边沿；所述基体1为本实施例所得的基体材料，所述磨料层2包括磨料和结合剂，所述结合剂含有聚酰亚胺树脂。
本实施例的磨料层，包含以下体积百分比的组分：
本实施例中，基体材料中棕刚玉烟尘的粒径比砂轮磨料层中磨料的粒径小50％以上，具体粒级分配如表1所示。
实施例2
本实施例的砂轮用复合基体材料，包含以下质量百分比的组分：
本实施例的砂轮用复合基体材料的制备方法，包括下列步骤：
1)取γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(KH560)，按照1:120的稀释比例用水稀释后，以雾状喷到棕刚玉烟尘表面，混合均匀后，置于100℃鼓风烘箱中干燥8h，过筛，得混合粉A；
2)取配方量的热固性聚酰亚胺树脂粉、铜粉与步骤1)所得混合粉A，置于混料机中，混合分散2h至混合均匀，得混合粉B；
3)根据砂轮形状规格选择基体模具，将步骤2)所得混合粉B置于模具中，刮平，置于热压机操作台，在250℃热压压平，并根据工件大小保温30min使其成型，即得砂轮用复合基体材料。
其中，所述铜粉为电解铜粉，粒度300目，纯度≥95％。
根据砂轮的成型要求，将所得砂轮用复合基体材料加工后备用。
本实施例的砂轮，如图2所示，是一种聚酰亚胺树脂结合剂磨PCB刀具砂轮，包括圆盘型基体1，基体1的中心设有安装孔，圆盘型基体1的外周面设有环形磨料层2；所述基体1为本实施例所得的基体材料，所述磨料层2包括磨料和结合剂，所述结合剂含有聚酰亚胺树脂。
本实施例的磨料层，包含以下体积百分比的组分：
本实施例中，基体材料中棕刚玉烟尘的粒径比砂轮磨料层中磨料的粒径小50％以上，具体粒级分配如表1所示。
实施例3
本实施例的砂轮用复合基体材料，包含以下质量百分比的组分：
本实施例的砂轮用复合基体材料的制备方法，包括下列步骤：
1)取γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(KH570)，按照1:150的稀释比例用水稀释后，以雾状喷到棕刚玉烟尘表面，混合均匀后，置于90℃鼓风烘箱中干燥10h，过筛，得混合粉A；
2)取配方量的热固性聚酰亚胺树脂粉、铁粉与步骤1)所得混合粉A，置于混料机中，混合分散2h至混合均匀，得混合粉B；
3)根据砂轮形状规格选择基体模具，将步骤2)所得混合粉B置于模具中，刮平，置于热压机操作台，在230℃热压压平，并根据工件大小保温80min使其成型，即得砂轮用复合基体材料。
根据砂轮的成型要求，将所得砂轮用复合基体材料加工后备用。
本实施例的砂轮，包括基体和附着在基体表面的磨料层，所述基体为本实施例所得的基体材料，所述磨料层包括磨料和结合剂，所述结合剂含有聚酰亚胺树脂。
本实施例的磨料层，包含以下体积百分比的组分：
本实施例中，基体材料中棕刚玉烟尘的粒径比砂轮磨料层中磨料的粒径小50％以上，具体粒级分配如表1所示。
实施例4
本实施例的砂轮用复合基体材料，包含以下质量百分比的组分：
本实施例的砂轮用复合基体材料的制备方法，包括下列步骤：
1)取γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(KH560)，按照1:140的稀释比例用水稀释后，以雾状喷到棕刚玉烟尘表面，混合均匀后，置于80℃鼓风烘箱中干燥10h，过筛，得混合粉A；
2)取配方量的热固性聚酰亚胺树脂粉、铝粉与步骤1)所得混合粉A，置于混料机中，混合分散2h至混合均匀，得混合粉B；
3)根据砂轮形状规格选择基体模具，将步骤2)所得混合粉B置于模具中，刮平，置于热压机操作台，在210℃热压压平，并根据工件大小保温80min使其成型，即得砂轮用复合基体材料。
根据砂轮的成型要求，将所得砂轮用复合基体材料加工后备用。
本实施例的砂轮，包括基体和附着在基体表面的磨料层，所述基体为本实施例所得的基体材料，所述磨料层包括磨料和结合剂，所述结合剂含有聚酰亚胺树脂。
本实施例的磨料层，包含以下体积百分比的组分：
本实施例中，基体材料中棕刚玉烟尘的粒径比砂轮磨料层中磨料的粒径小50％以上，具体粒级分配如表1所示。
实施例5
本实施例的砂轮用复合基体材料，包含以下质量百分比的组分：
本实施例的砂轮用复合基体材料的制备方法，包括下列步骤：
1)取γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(KH570)，按照1:160的稀释比例用水稀释后，以雾状喷到棕刚玉烟尘表面，混合均匀后，置于100℃鼓风烘箱中干燥8h，过筛，得混合粉A；
2)取配方量的热固性聚酰亚胺树脂粉、铁粉与步骤1)所得混合粉A，置于混料机中，混合分散2h至混合均匀，得混合粉B；
3)根据砂轮形状规格选择基体模具，将步骤2)所得混合粉B置于模具中，刮平，置于热压机操作台，在240℃热压压平，并根据工件大小保温60min使其成型，即得砂轮用复合基体材料。
根据砂轮的成型要求，将所得砂轮用复合基体材料加工后备用。
本实施例的砂轮，包括基体和附着在基体表面的磨料层，所述基体为本实施例所得的基体材料，所述磨料层包括磨料和结合剂，所述结合剂含有聚酰亚胺树脂。
本实施例的磨料层，包含以下体积百分比的组分：
本实施例中，基体材料中棕刚玉烟尘的粒径比砂轮磨料层中磨料的粒径小50％以上，具体粒级分配如表1所示。
实验例1
本实验例对实施例1～5的砂轮用复合基体材料进行机械性能检测。检测方法为：分别按照实施例1～5的配方和制备方法制备测试用油石条和“8”字块(如图3、4所示)，利用万能试验机和洛氏硬度计对制备的油石条和“8”字块进行机械性能测试，测试结果如表3所示。
其中，对比例1的基体材料，包含以下质量百分比的组分：聚酰亚胺树脂粉20％、铜粉58％、锡粉20％、酚醛树脂液2％。
表3复合基体材料的机械性能检测结果
对象 抗拉强度/Mpa 抗折强度/Mpa 硬度/HRB
实施例1 26.8 89.5 30
实施例2 28.3 92.7 31
实施例3 30.5 100.9 37
实施例4 29.3 93.2 32
实施例5 25.8 90.6 31
对比例1 18.2 76.8 33
从表3可以看出，实施例1～5的砂轮用复合基体材料在硬度与对比例相差不大的情况下，抗拉强度和抗折强度均远远大于对比例。实验结果表明，本发明的砂轮用复合基体材料具有较高的机械性能。
实验例2
本实验例对实施例1～5及对比例砂轮中的基体与磨料层的界面结合强度进行检测。检测方法为：分别按照实施例1～5的配方和制备方法制备测试用油石条和“8”字块，如图5、6所示，磨料层4附着在基体3的工作面上；利用万能试验机对上述样品进行力学性能测试，测试结果如表4所示。
其中，对比例1的基体材料同实验例1中的对比例1，磨料层同实施例1；对比例2的基体为铝合金基体材质，磨料层同实施例1；对比例3的基体为钢基体材质，磨料层同实施例1。
表4复合材料基体与磨料层的界面结合强度检测结果
对象 抗拉强度/Mpa 抗折强度/Mpa
实施例1 22.5 82.3
实施例2 23.7 82.8
实施例3 25.6 92.6
实施例4 20.5 79.6
实施例5 24.3 83.5
对比例1 18.2 73.8
对比例2 17.3 72.3
对比例3 15.2 65.3
从表4可以看出，实施例1～5的砂轮中基体与磨料层的界面结合强度均高于对比例1、2和3。实验结果表明，本发明的复合基体材料制成砂轮后，基体与磨料层的结合强度均优于现有技术中的铝合金、钢基体砂轮。
实验例3
本实验例对实施例1～5的砂轮的使用性能及加工后工件的表面质量进行检测。检测方法为：分别对采用实施例1～5的砂轮磨削后的工件表面粗糙度进行检测，并对砂轮成型及使用过程中的脱环率进行统计，结果如表5所示。
其中，对比例同实验例2。
表5实施例1～5的砂轮的使用性能及质量检测结果
对象 粗糙度/Ra(um) 脱环率
实施例1 0.06 0
实施例2 0.05 1％
实施例3 0.05 0
实施例4 0.05 0
实施例5 0.06 1％
对比例1 0.09 11％
对比例2 0.11 17％
对比例3 0.15 33％
注：所加工工件为硬质合金，HRA92。
针对实施例1～5和对比例1～3的砂轮，通过开展磨削实验和对生产加工过程进行跟踪，得到如表5所示的磨削质量和砂轮脱环率。从表5可以看出，与对比例1、2和3比较，采用本发明的复合基体材料的砂轮，加工出工件的表面粗糙度值小，且砂轮在使用时的成品脱环率低。实验结果表明，采用本发明的复合基体材料制备的砂轮具有较高的磨削质量和优异的使用性能。

Claims (9)

1.一种砂轮用复合基体材料，其特征在于：包含以下质量百分比的组分：棕刚玉烟尘30%～60%、聚酰亚胺树脂25%～55%、金属添加剂10%～20%、硅烷偶联剂0.2%～2%；
所述硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-（2,3-环氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷、γ-（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷中的任意一种或多种。
2.根据权利要求1所述的砂轮用复合基体材料，其特征在于：所述棕刚玉烟尘为棕刚玉生产过程中排放的烟尘回收物。
3.根据权利要求1或2所述的砂轮用复合基体材料，其特征在于：所述金属添加剂为铜粉、铁粉、铝粉、锡粉、锌粉中的任意一种或多种。
4.根据权利要求3所述的砂轮用复合基体材料，其特征在于：所述铁粉为还原铁粉。
5.一种如权利要求1所述的砂轮用复合基体材料的制备方法，其特征在于：包括下列步骤：
1）取硅烷偶联剂用水稀释后，加入棕刚玉烟尘，混合均匀后干燥，过筛，得混合粉A；
2）取聚酰亚胺树脂粉、金属添加剂粉与步骤1）所得混合粉A混合均匀，得混合粉B；
3）将步骤2）所得混合粉B置于模具中，热压成型，即得所述砂轮用复合基体材料。
6.根据权利要求5所述的砂轮用复合基体材料的制备方法，其特征在于：步骤1）中，所述稀释倍数不小于100倍。
7.根据权利要求5所述的砂轮用复合基体材料的制备方法，其特征在于：步骤1）中，所述干燥的温度为80～100℃，干燥时间为8～12h。
8.根据权利要求5所述的砂轮用复合基体材料的制备方法，其特征在于：步骤3）中，所述热压成型的温度为200～250℃，保温30～120min。
9.一种砂轮，包括基体和附着在基体表面的磨料层，其特征在于：所述基体为权利要求1所述的基体材料，所述磨料层包括磨料和结合剂，所述结合剂含有聚酰亚胺树脂。
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