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       1 树脂结合剂的化学性质和类型

       树脂磨轮由树脂结合剂中的磨料颗粒组成，可能含有或不含有填料（见图1）。与烧结粘合工具相比，这种砂轮类型通常具有较低的孔隙率。

       树脂是能够硬化的粘稠液体。它们是聚合物，即由单体组成的大分子链。单体是含有C、H、O、N、Cl、S或F的元素的物质，由此合成低聚物（“树脂”）。然后，这些低聚物在第二步中被转化为交联的、不溶的聚合物，这一步被称为固化，可能涉及到热、催化剂、填料或压力。

       磨具树脂结合剂由单一树脂或树脂组合构成，可能含有填料。树脂本身通常是通过酯化或皂化有机化合物制造的。填料不仅有加强结合剂在韧性、耐热性、强度和破裂安全性方面的任务，而且还有支持磨削过程作为次要磨料的作用。硅酸盐、硫化物、卤化物增加了结合剂的强度和耐磨性，并阻止了树脂的氧化降解。在切割轮中，树脂结合剂还被玻璃纤维、亚麻布等体材料加强。

       根据强度和耐温性，树脂结合剂可以分为三类：

       • 酚醛树脂，

       • 聚酰亚胺和聚酰胺树脂

       • 环氧树脂或聚氨酯树脂，通常被称为塑料结合剂。

       1.1 酚醛树脂

       酚醛树脂结合剂，特别是酚醛醛树脂结合剂，是最常见的树脂结合剂；这种结合剂类型的工具在传统砂轮中占据了最大的市场份额，仅次于烧结工具。最初，这种结合剂类型被称为酚醛塑料，因此在许多砂轮规格中保留了字母“B”。与其他树脂相比，酚醛树脂的价格更便宜，更容易成型。

       酚醛树脂是通过酚和醛的反应得到的。酚是芳香化合物，羟基与芳香环键合（见图2）。酚的合成通常是通过丙烯过程完成的，这是一个将丙烯（异丙苯）和空气氧化为丙烯过氧化物的过程，然后将丙烯过氧化物裂解为酚和丙酮。安全性是工厂设计和操作的关键因素，因为氧化过程接近可燃极限，丙烯过氧化物是一种不稳定的物质。

       用于砂轮结合剂生产的相关醛包括甲醛、糠醛和六甲基四胺。甲醛是一种有害化学品，当浓度超过一定程度时，可能会刺激眼睛、鼻子和喉咙（见图2）。六次甲基四胺，也称为乌洛托品，是酚醛树脂结合剂中常见的硬化剂（见图2）。基本氧化物如氧化钙或氧化镁是酚醛树脂中的固化加速剂。

       催化方式和酚与醛的摩尔比导致树脂是resole型还是novolak型。Resoles可以通过酸、碱或热条件轻松固化；novolaks通过六甲基四胺的甲醛、固体resoles或其他方法固化。Resoles可以是固体resole、resole溶液或水性resole；novolaks可以是固体树脂、novolak溶液、水性novolak分散液和含有六甲基四胺的粉末树脂。对于磨料工具的制造，水性resole和粉末novolak是最重要的形式。

       1.2 酚醛树脂

       砂轮的酚醛树脂结合剂包含液体（resole）和粉末（novolak），直接和改性酚醛树脂，含有润湿剂的粉末树脂，或低熔点酚醛树脂与粉末酚醛树脂的组合。可以进行各种改性，如与环氧树脂、橡胶、聚乙烯醇丁酮等的改性。此外，用于超硬磨料的酚醛树脂结合剂通过SiC颗粒和固体润滑剂进行增强。酚醛树脂通过聚缩反应在大约150-200°C下固化。Gardziella等人给出了用于生产磨具的单一液体和树脂粉的详细组成。

       1.3 聚酰胺和聚酰亚胺树脂

       聚酰亚胺是聚合物，其分子链中的一个环中含有非碳原子氮（见图3）。聚酰胺-酰亚胺是同一聚合物家族的成员，含有芳香环和氮键（见图3）。

       聚酰胺和聚酰亚胺结合剂比酚醛树脂结合剂具有更高的韧性、热阻和弹性。聚酰亚胺结合剂的韧性是酚醛结合剂的5到10倍，可以承受300°C的温度20倍的时间。然而，较高的价格使得这种粘合系统类型的使用限制在特殊应用和超硬磨料上。聚酰亚胺树脂是高产量硬质合金磨削的主要结合剂类型，特别是用于凹槽磨削，或用于冷却润滑剂下的切割磨削。

       1.4 环氧或聚氨酯树脂

       环氧或聚氨酯轮是树脂粘合轮中最软的。对于传统磨料，常用于双盘和外圆磨削。然而，对于超硬磨料，环氧或聚氨酯结合剂似乎仅限于玻璃和陶瓷行业的微米钻石颗粒应用。环氧树脂的特性是它们的环氧基，由环氧环（–CH2–O–CH2–）组成。然后，环氧树脂与流体硬化剂硬化为聚合物。

       2 树脂结合剂的制造

       树脂粘合磨具是通过混合、压制和在约200°C的温度下硬化制造的（见图4）。树脂通常由两个主要成分树脂和硬化剂组成。混合会产生反应性树脂材料。在硬化过程中，树脂的粘度升高，生成一种硬塑性材料。

       2.1 混合和成型

       混合通常分为几个步骤，湿混合、干混合和最后混合（见图4）。在湿混合步骤中，磨料颗粒和液体树脂或糠醛（一种润湿剂）结合在一起。磨料颗粒将被涂覆，使得树脂粉和填料更容易附着在颗粒表面。润湿剂也改善了颗粒的聚集。此外，磨料工具可以在其原始的，所谓的“绿色”状态下处理。

       在与湿混合物（由磨料和湿树脂组成）结合之前，以酚为基础的粉末树脂和填料进行干混。添加剂被包含在内，以通过改善混合物的流动性和储存寿命，减少团块倾向来支持混合过程。添加剂的例子包括粉末添加剂、硅石和衍生物。混合过程继续进行，直到出现均匀的、可倾注的混合物。在处理树脂粉时，粉尘是一个安全问题。因此，防尘剂可以是有用的添加剂，以最小化粉尘。

       在压制之前，可以嵌入体材料，如用于切割轮的玻璃纤维或用于超硬磨轮的铝体。

       2.2 压制

       结合剂和磨料混合物可以在炉子中冷压并硬化，也可以在带有加热板的压力机上热压并硬化。图5显示了将磨料层压到磨轮体上的压制示例设置。传统的砂轮可以在140-200°C下进行热压或冷压并硬化。大多数超硬磨轮和密实、低孔隙度的磨轮是通过在160-175°C下进行热压制造的。对于直径小于200mm的超硬磨轮，可以直接将磨料层压到基体上。环氧或聚氨酯结合剂是在模具中铸造或摇动，然后在20-80°C的温度下硬化。

       冷压是在液压机上进行的，压缩强度为15-30 N/mm2。压制时间范围从5-50秒，取决于磨料工具的尺寸和形状、颗粒大小、混合物的塑性和分布。在热压中，压制时间为每毫米轮厚约30-60s。

       压制过程可以基于定义的体积或压力进行（定体积和定压力）。内部摩擦和与模具壁的摩擦导致颗粒密度的偏差，从而影响工具硬度（见图6）。密度偏差可以通过两个砧压或在压制过程中振荡来克服。

       2.3 固化

       硬化过程必须遵循定义的温度程序（见图7中的示例）。根据实际温度，固化过程中会发生几种化学过程：

       （1）70~80°C：树脂结合剂开始流动，并转化为熔融质量。酚醛树脂中的水蒸发，树脂在这种水分离下硬化。水可以在多孔工具中排出。（2）110-120°C：六次甲基四胺分解并引发熔融树脂粉的硬化过程（见图8）。气体释放，特别是氨（NH3）。（3）170-180°C：结构最终硬化，酚醛树脂的交联发生。应避免过度固化，因为过度固化的工具强度降低。 （4）180-200°C：苄胺结构分裂，产生新的氨生成（见图8）。树脂结合剂变得脆性，但也变得热稳定。（5）最终温度水平（165-170，175-180，或185-195°C）显著影响最终工具性能（硬度、韧性、脆性）。固化也可以通过射频和微波加热的介电方式进行。这些方法需要存在显著的电损耗因子，这在酚醛醛树脂中是常见的。

       2.4 树脂结合剂中的填料

       树脂结合剂中的填料在制造阶段和磨削操作中以下作用：引入气孔，增强结合剂性能，改变外观，等等。

       树脂粘合磨具中常见的填料有冰晶石-氟化钠铝（Na3AlF6）、黄铁矿（FeS2）、硫化锌（ZnS）、硫酸锌钡（ZnSBaSO4）、氟硼酸钾和氯化钾（KAlF4, K3AlF6）、硫酸钾（K2SO4）和这些材料的混合物（KCl）。

       过去使用的有毒材料三硫化二锑（Sb2S3）和氯化铅（PbCl2）已被特殊的铁卤化物和其他物质取代。填料和树脂结合剂的百分比随磨具硬度和密度的变化而变化（表1）。

       在制造阶段，填料可以引入气孔。基本氧化物，如CaO和MgO，是加速硬化过程的填料。然而，CaO只应用于干磨操作的磨具，因为CaO填料在接触冷却润滑剂时可以水化并转化为CaCO3。

       在磨削过程中，填料增强了结合剂的韧性、耐热性、强度和爆裂阻力，或者它们作为次要磨料支持磨削过程。玻璃碎片增强了砂轮的内径。可以将具有高热导率的细金属粉末引入到结合剂中，以改善工具在加工过程中的热吸收。如：细银粉， 325目或更细。此外，细硅酸盐颗粒作为结合剂的增强剂。

       引入到结合剂配方中的固体润滑剂形式的填料有以下作用：

       • 减少了砂轮/工件界面的摩擦，

       • 通过磨削切屑减少了砂轮的负载，

       • 保持磨料颗粒的锋利度。

       如：325目或更细的砂轮的有机干膜润滑剂聚四氟乙烯（PTFE）类型。在其他应用中，润滑剂FeS2和K2SO4改善了磨削质量和通用性。细分的石墨可以改善干磨的性能。氟化钠铝（Na3AlF6）在约950°C时熔化，防止金属堵塞砂轮。然而，它作为Al2O3颗粒的溶剂。将在非常基本的介质中使用的磨料带的树脂结合剂必须进行额外的稳定。当填料作为着色剂时，填料可以改变工具的外观。

       3 树脂结合剂的性能

       树脂结合剂具有相对较高的弹性。因此，这种结合剂类型被选用于受到冲击、侧向负载、突然负载或高切削速度的砂轮。典型的应用是切割或粗加工。此外，树脂结合剂对于完成过程以达到高表面质量效果很好。然而，结合剂的弹性可能对尺寸精度产生负面影响。

       树脂粘合轮易于成型，但通过成型不能达到足够高的出刃高度。因此，需要额外的锐化过程。表1列出了磨轮中常见的树脂和填料含量百分比。在磨削过程中，只有使结合剂回退的工件材料才会导致足够的自锐化效果。适合的材料是脆性材料，例如在硬质合金工具磨削的应用中。

       密实的磨具表面是通过细磨料颗粒大小实现的。大颗粒和金属颗粒镀层改善了树脂粘合系统中的结合力。某些填料，如CaO，不应接触水。

       此外，树脂结合剂对热敏感。超过200°C的温度下开始降解，磨料镀层有助于散发磨削热。树脂砂轮的保质期有限，应在两年内使用。使结合剂树脂硬化的聚缩反应不会导致完全硬化，因此树脂结合剂的强度可能会因为大气或化学暴露而改变。

      【砂轮配方分析】

       砂轮配方分析是一个综合性分析，采用SEM-EDS、XRD、红外、TG-DSC、XRF、ICP、气质等现代分析设备，加上湿法化学分析和制造砂轮的经验，综合判断的结果。下图是典型的配方分析结果。