CN108296993A

CN108296993A - 一种重负荷砂轮用复合结合剂、重负荷砂轮及其制备方法

Info

Publication number: CN108296993A
Application number: CN201711396884.7A
Authority: CN
Inventors: 周涛; 张贝贝; 邵冰
Original assignee: WHITE DOVE ABRASIVES CO Ltd
Current assignee: WHITE DOVE ABRASIVES CO Ltd
Priority date: 2017-12-21
Filing date: 2017-12-21
Publication date: 2018-07-20

Abstract

本发明涉及一种重负荷砂轮用复合结合剂、重负荷砂轮及其制备方法。该复合结合剂由以下重量百分比的组分组成：铜锡合金10％～20％，酚醛树脂30％～50％，硫化物30％～60％，稀土氧化物1％～5％。该复合结合剂，主要依据重负荷砂轮的磨粒特性设计，选择酚醛树脂为树脂结合剂，添加铜锡合金作为金属合金，两者合用可以显著增强对磨粒的结合力，提高结合剂自身的韧性、抗拉强度、抗压强度、硬度、挠曲强度等性能，添加的硫化物具有良好的导热性能，可提高结合剂自身及砂轮的耐热性能，稀土氧化物的引入有助于增强酚醛树脂、铜锡合金的结合活性，同时使硫化物的导热性能得到进一步发挥。

Description

一种重负荷砂轮用复合结合剂、重负荷砂轮及其制备方法

技术领域

本发明属于砂轮的制备领域，具体涉及一种重负荷砂轮用复合结合剂、重负荷砂轮及其制备方法。

背景技术

大直径高速高效数控磨削重负荷砂轮与数控机床配套，主要应用于大型特种钢的高速高效重负荷磨削。特种钢作为航空航天、船舶、海上石油钻井平台、高速铁路等行业的关键材料，具有强度、硬度大，屈服度高等特点。特种钢的高速高效重负荷磨削，具有去除率高、负荷重、磨削热生成多等特点，传统的磨床、磨具往往难以达到加工要求。高速高效重负荷磨削目前已成为一个国家高速高效加工水平的重要评价指标之一。

目前，国外高速高效重负荷砂轮的最高加工磨削比达到了100，砂轮承受压力达到1500公斤，砂轮直径达到915毫米，砂轮使用速度达到80米/秒，该种高性能砂轮的工业制造在国内尚属空白，市场上的主流产品被法国圣戈班、瑞典SLIP、日本则武等品牌全面垄断。创新大直径高速高效数控磨削砂轮制造技术，对提高特种钢高速高效磨削加工水平具有重要意义。

公布号为CN105364731A的专利公开了一种重负荷砂轮及其加工方法，该重负荷砂轮内外复合的内层部分、外层部分，内层部分内设置有内层支撑部件，内层部分由C120#粒度砂、糠醛、缩丁醛、无碱短切玻璃纤维、新酚树脂、德国树脂、氟哌酸钾制成，外层部分由锆刚玉、无碱短切玻璃纤维、新酚树脂、德国树脂、氟哌酸钾、红辉石、冰晶石、重晶石制成。

现有的重负荷砂轮主要采用新酚树脂等树脂结合剂和锆刚玉磨粒进行制造，在实际的高速高负荷加工应用过程中，砂轮的耐热性、强度、抗冲击性等性能较差，容易发生爆片事故，工业应用效果并不理想。

发明内容

本发明的目的在于提供一种重负荷砂轮用复合结合剂，从而解决采用现有结合剂制备的重负荷砂轮存在的强度、耐热性较差的问题。

本发明的第二个目的在于提供一种使用上述复合结合剂的重负荷砂轮。

本发明的第三个目的在于提供上述重负荷砂轮的制备方法。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种重负荷砂轮用复合结合剂，由以下重量百分比的组分组成：铜锡合金10％～20％，酚醛树脂30％～50％，硫化物30％～60％，稀土氧化物1％～5％。

本发明提供的重负荷砂轮用复合结合剂，主要依据重负荷砂轮的磨粒特性设计，应用于重负荷砂轮的磨粒多为锆刚玉等耐热、高强度磨粒，选择酚醛树脂为树脂结合剂，添加铜锡合金作为金属合金，两者合用可以显著增强对磨粒的结合力，提高结合剂自身的韧性、抗拉强度、抗压强度、硬度、挠曲强度等性能，添加的硫化物具有良好的导热性能，可提高结合剂自身及砂轮的耐热性能，稀土氧化物的引入有助于增强酚醛树脂、铜锡合金的结合活性，同时使硫化物的导热性能得到进一步发挥。以上各组分相互支持，在功能上相互促进，可以有机的结合到重负荷砂轮的制备过程中，显著提高重负荷砂轮的强度、耐热性、抗冲击性等核心指标，从而提高重负荷砂轮的工业品质和应用稳定性。

铜锡合金的重量百分比组成为：锡5～15％，余量为铜。

酚醛树脂为砂轮结合剂领域的常规树脂，在室温下有液体和固体之分，本发明优选在室温下为固态的酚醛树脂。如可选择主要指标为乌洛托品含量为7.5-9.0％，游离酚含量＜5.0％，水分含量≤1.7％的酚醛树脂。

所述硫化物为硫化锰和/或硫化亚铁。采用硫化锰、硫化亚铁作为导热填料，与结合剂中的铜锡合金的亲和力好，能够更好的发挥填料的导热特性，提高砂轮的耐热性能。

所述稀土氧化物为Sm₂O₃。经发明人的大量实验证明，稀土氧化物选择氧化钐，可显著增强结合剂的结合活性，使砂轮的强度、韧性、耐热性等指标得到进一步提高。

上述复合结合剂在制备时，将各组分混合均匀后过筛即可。

本发明同时提供一种使用上述复合结合剂的重负荷砂轮。

砂轮主要由复合结合剂和磨粒组成，针对重负荷砂轮，磨粒可选择背景技术所涉专利的锆刚玉，当然，基于本发明的复合结合剂的特性，也可选择与该复合结合剂具有良好结合力的其他高强、耐热氧化铝基磨粒，如烧结刚玉等。优选的，砂轮工作层所使用的工作层磨料由烧结刚玉和锆刚玉组成，其中烧结刚玉的质量百分占比为50％～90％。采用上述配比的烧结刚玉和锆刚玉作为磨料，可以使两种磨粒的特性互为补充，使制备出的重负荷砂轮突出韧性好、强度大的特点，尤其适用于高速高效重负荷的工况下使用。更优选的，磨料的粒度为F6～F36。采用粗粒度的磨料，可有效提高砂轮的磨削去除效率。

进一步的，砂轮工作层还可添加粘结剂、增强剂等辅料，以进一步增强砂轮的强度等性能指标。优选的，砂轮工作层由以下重量百分比的原料制成：工作层磨料56％～71％，复合结合剂20％～42％，增强纤维1％～5％，粘结剂1％～4％。增强纤维可分散于砂轮内部，增强砂轮工作层的强度，粘结剂能够起到润湿粘结作用，从而能够增强各原料的润湿、分散性，减小砂轮成型缺陷，促进各原料的性能得以充分发挥。

进一步优选的，所述增强纤维为碳纤维。当然，增强纤维也可选择玻璃纤维等，具体选择碳纤维可以更好的提高砂轮的强度。所述粘结剂为糠醛。其可与结合剂中的酚醛树脂配合，在较小用量、较低成本的前提下，即可实现良好的结合效果。

重负荷砂轮的具体结构可以根据实际加工需求确定，可以为工作层和增强基体形式，也可设计成多层结构来满足苛刻加工条件的需要，优选的，所述重负荷砂轮包括内外复合的增强层和所述砂轮工作层，所述增强层主要由所述复合结合剂和黑碳化硅制成。以上述复合结合剂和黑碳化硅为主要原料制成的增强层，一方面与外层工作层的亲和力好，内、外层具有极强的结合力，另一方面，增强层本身的强度高，可以有效提高重负荷砂轮的回转强度，减小砂轮在高速、重负荷磨削加工下的跳动。进一步优选的，所述黑碳化硅的粒度为F46～F120。采用细粒度的黑碳化硅，可进一步提高增强层的强度。

最优选的，所述增强层由以下重量百分比的原料制成：黑碳化硅56％～71％，复合结合剂20％～42％，增强纤维1％～5％，粘结剂1％～4％。增强纤维、粘结剂的选择可参考工作层的相关描述，在此不再详述。

为进一步优化增强层的增强、补强效果，优选的，所述增强层内还埋设有加强筋。进一步优选的，所述加强筋为与砂轮端面平行设置的钢环，多个钢环沿增强层的厚度方向间隔设置。

本发明的重负荷砂轮的制备方法所采用的技术方案是：

一种重负荷砂轮的制备方法，包括以下步骤：将原料混匀后投入到模具中，压制成型，得到砂轮毛坯，将砂轮毛坯在120℃～180℃固化，即得。

在砂轮的制备过程中，原料的混料、模具的组装、投料环节均可参考现有技术。具体的投料操作应以保证投料的均匀性为准，如在投料过程中要不断旋转模具并不断刮平物料，以保证投料的均匀性。

针对由增强层、工作层形成的内外复合结构的砂轮，可按以下步骤进行制备：

1)将工作层的原料混匀后投入到工作层型腔中，形成工作层料层；将增强层的原料混匀后，分批次投入到增强层型腔中，在上一批次投料后形成料层表面上放置加强筋，然后进行下一批次投料，直至全部投料完成，形成增强层料层，之后压制成型，得到砂轮毛坯；

2)将砂轮毛坯在120℃～180℃固化，即得。

步骤1)中，加强筋为与砂轮端面平行设置的钢环。在放置钢环时，应保证钢环的位置不偏斜。

压制成型前，对模具内的待成型物料进行预热。优选的，所述预热是在150～170℃下保温8～12min。在到达设定压制压力前，应及时排气以使待成型物料内的气体完全排除。压制压力以达到砂轮成型高度要求为宜，压平后，在设定压制压力下保压60min，然后冷却至50℃以下，卸模即得砂轮毛坯。

步骤2)中，所述固化是在110～130℃下保温1～2h，然后升温至170～190℃，保温8h～12h。优选的，由室温升温至110～130℃的时间为2h，由110～130℃升温至170～190℃的时间为3h，在170～190℃保温后，降温至60℃以下。

进一步优选的，所述固化是在120℃下保温1h，然后升温至180℃，保温12h。

本发明的重负荷砂轮的制备方法，通过分段烧结固化，可有效降低固化缺陷，提高固化质量；采用该方法制备的重负荷砂轮，外观无发泡、无裂纹、无起层，而且耐高温、强度大，不易破碎，磨削效率高，端面圆跳动、径向圆跳动极小，性能与国外产品相当，实际应用效果良好。该制备方法工艺简单，制造成本低，易于产业化实施，适合大规模推广应用。

附图说明

图1为本发明的重负荷砂轮的制备工艺流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的实施方式作进一步说明。以下实施例中，铜锡合金的重量百分比组成为：锡10％、铜90％。酚醛树脂的主要指标为：乌洛托品含量10-12％，游离酚含量＜5.0％，水分含量≤1.5％。烧结刚玉中Al₂O₃wt％＞99％，购自昭和电工株式会社。糠醛满足工业糠醛的相关国标即可。碳纤维的长度为3-5mm。稀土氧化物中的杂质含量≤4wt％。

实施例1

本实施例的重负荷砂轮，包括内外复合的增强层和工作层，增强层内埋设有与砂轮端面平面设置的钢环，钢环共三个，三个钢环在增强层的厚度方向均匀设置，增强层由以下重量百分比的原料制成：粒度为F100的黑碳化硅56％，增强层用复合结合剂40％，糠醛1％，碳纤维3％；增强层用复合结合剂由以下重量百分比的组分组成：铜锡合金10％，酚醛树脂50％，硫化亚铁39％，Sm₂O₃ 1％。

工作层由以下重量百分比的原料制成：磨料56％，工作层用复合结合剂40％，糠醛1％，碳纤维3％；其中磨料由以下重量百分比的组分组成：粒度为F10的烧结刚玉30％，粒度为F16的烧结刚玉30％，粒度为F24的锆刚玉40％。工作层用复合结合剂由以下重量百分比的组分组成：铜锡合金10％，酚醛树脂40％，硫化亚铁49％，Sm₂O₃ 1％。

本实施例的重负荷砂轮的制备方法，流程图如图1所示，包括以下步骤：

1)将工作层的原料混匀后投入到模具的工作层型腔中，在投料过程中不断旋转模具并不断刮平待成型物料，形成工作层料层；

将增强层的原料混匀后分为四份，每次取一份投料，刮平后放置一个钢环，钢环的位置不得偏斜，然后取下一份投料，直至三个钢环和四份物料投料完毕，形成增强层料层；

2)将模具推入压机，在160℃下预热10min，之后进行加压，在加压过程中排气3次，使待成型物料中的气体完全排除，达到设计压制压力后，保压60min，然后冷却至50℃卸模，得到砂轮毛坯；

3)将砂轮毛坯放入固化炉，在2h内由室温升温至120℃，保温1h后，经3h由120℃升温至180℃，保温8h后，降温至60℃，完成砂轮固化。

实施例中，重负荷砂轮的直径为915mm，厚度为125mm，安装孔径为304.8mm，增强层直径为480mm。步骤2)中压制压力为：130MPa。步骤3)中，升温、降温过程均为匀速。

实施例2

本实施例的重负荷砂轮，包括内外复合的增强层和工作层，增强层内埋设有与砂轮端面平面设置的钢环，钢环共三个，三个钢环在增强层的厚度方向均匀设置，增强层由以下重量百分比的原料制成：粒度为F100的黑碳化硅60％，增强层用复合结合剂36％，糠醛1％，碳纤维3％；增强层用复合结合剂由以下重量百分比的组分组成：铜锡合金12％，酚醛树脂48％，硫化亚铁39％，Sm₂O₃ 1％。

工作层由以下重量百分比的原料制成：磨料60％，工作层用复合结合剂36％，糠醛1％，碳纤维3％；其中磨料由以下重量百分比的组分组成：粒度为F10的烧结刚玉30％，粒度为F12的烧结刚玉25％，粒度为F16的锆刚玉45％。工作层用复合结合剂由以下重量百分比的组分组成：铜锡合金12％，酚醛树脂38％，硫化亚铁49％，Sm₂O₃ 1％。

本实施例的重负荷砂轮的制备方法，规格同实施例1，制备方法与实施例1基本相同，区别仅在于固化条件为：在2h内由室温升温至110℃，保温2h后，经3h由110℃升温至170℃，保温10h后，降温至60℃。

实施例3

本实施例的重负荷砂轮，包括内外复合的增强层和工作层，增强层内埋设有与砂轮端面平面设置的钢环，钢环共三个，三个钢环在增强层的厚度方向均匀设置，增强层由以下重量百分比的原料制成：粒度为F100的黑碳化硅68％，增强层用复合结合剂28％，糠醛1.2％，碳纤维2.8％；增强层用复合结合剂由以下重量百分比的组分组成：铜锡合金15％，酚醛树脂45％，硫化亚铁39％，Sm₂O₃ 1％。

工作层由以下重量百分比的原料制成：磨料68％，工作层用复合结合剂28％，糠醛1.2％，碳纤维2.8％；其中磨料由以下重量百分比的组分组成：粒度为F12的烧结刚玉45％，粒度为F14的烧结刚玉10％，粒度为F20的锆刚玉45％。工作层用复合结合剂由以下重量百分比的组分组成：铜锡合金15％，酚醛树脂35％，硫化亚铁48％，Sm₂O₃ 2％。

制备方法与实施例1基本相同，区别仅在于固化条件为：在2h内由室温升温至130℃，保温1h后，经3h由130℃升温至190℃，保温12h后，降温至60℃。

实施例4

本实施例的重负荷砂轮，包括内外复合的增强层和工作层，增强层内埋设有与砂轮端面平面设置的钢环，钢环共三个，三个钢环在增强层的厚度方向均匀设置，增强层由以下重量百分比的原料制成：粒度为F46的黑碳化硅71％，增强层用复合结合剂25％，糠醛1.2％，碳纤维2.8％；增强层用复合结合剂由以下重量百分比的组分组成：铜锡合金18％，酚醛树脂43％，硫化亚铁38％，Sm₂O₃ 1％。

工作层由以下重量百分比的原料制成：磨料71％，工作层用复合结合剂25％，糠醛1.2％，碳纤维2.8％；其中磨料由以下重量百分比的组分组成：粒度为F8的烧结刚玉30％，粒度为F10的烧结刚玉15％，粒度为F14的烧结刚玉15％，粒度为F16的锆刚玉40％。工作层用复合结合剂由以下重量百分比的组分组成：铜锡合金18％，酚醛树脂43％，硫化亚铁38％，Sm₂O₃ 1％。

本实施例的重负荷砂轮的制备方法，规格同实施例1，制备方法可参考实施例1。

在本发明的重负荷砂轮的其他实施例中，工作层用复合结合剂、增强层用复合结合剂可不同；复合结合剂中，各组分的取值可在本发明限定的范围内进行相应调整，可用硫化锰对硫化亚铁进行等量替换，可获得性能相当的产品。工作层及增强层的配方选择中，可根据实际情况，如润湿性、结合性能等，对配方进行适应性调整，可获得性能相当的重负荷砂轮。

试验例

本试验例考察各实施例和对比例的重负荷砂轮的高速高效重负荷加工能力，对比例为某一进口同规格砂轮，对比结果如表1所示。

表1 各实施例和对比例的重负荷砂轮的性能对比

项目	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	对比例
						检测线速度，m/s	120	120	120	120	120
端面圆跳动	0.2	0.25	0.22	0.3	0.21
						径向圆跳动	0.45	0.5	0.47	0.55	0.43

由表1的检测结果可知，本发明制备的重负荷砂轮的回转强度高，检测线速度可达80m/s以上，端面圆跳动≤0.3，径向圆跳动≤0.6，性能与国外产品相当。

Claims

1.一种重负荷砂轮用复合结合剂，其特征在于，由以下重量百分比的组分组成：铜锡合金10％～20％，酚醛树脂30％～50％，硫化物30％～60％，稀土氧化物1％～5％。

2.如权利要求1所述的重负荷砂轮用复合结合剂，其特征在于，所述硫化物为硫化锰和/或硫化亚铁。

3.如权利要求1或2所述的重负荷砂轮用复合结合剂，其特征在于，所述稀土氧化物为Sm₂O₃。

4.一种使用权利要求1所述的复合结合剂的重负荷砂轮。

5.如权利要求4所述的重负荷砂轮，其特征在于，砂轮工作层所使用的工作层磨料由烧结刚玉和锆刚玉组成，其中烧结刚玉的质量百分占比为50％～90％。

6.如权利要求5所述的重负荷砂轮，其特征在于，砂轮工作层由以下重量百分比的原料制成：所述工作层磨料56％～71％，所述复合结合剂20％～42％，增强纤维1％～5％，粘结剂1％～4％。

7.如权利要求4或5或6所述的重负荷砂轮，其特征在于，所述重负荷砂轮包括内外复合的增强层和所述砂轮工作层，所述增强层主要由所述复合结合剂和黑碳化硅制成。

8.如权利要求7所述的重负荷砂轮，其特征在于，所述增强层由以下重量百分比的原料制成：黑碳化硅56％～71％，所述复合结合剂20％～42％，增强纤维1％～5％，粘结剂1％～4％。

9.一种如权利要求4所述的重负荷砂轮的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将原料混匀后投入到模具中，压制成型，得到砂轮毛坯，将砂轮毛坯在120℃～180℃固化，即得。

10.如权利要求9所述的重负荷砂轮的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述固化是在110～130℃下保温1～2h，然后升温至170～190℃，保温8h～12h。