CN106737239A - 一种无心外圆磨用不锈钢超精密抛光轮及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种无心外圆磨用不锈钢超精密抛光轮及其制备方法。它是由下述重量比的原料制备而成，其中：聚氨酯5%~10%，环氧树脂15%~20%，白刚玉微粉30%~45%，三氧化二铬15%~25%，氧化锌10%~20%；按上述重量比，经混料、冷压成型，制得硬度为邵氏85～95A的不锈钢表面超精密抛光的弹性抛光轮。本抛光轮在抛光的过程中，仅需要煤油冷却液，而不需要使用抛光液及任何酸性或碱性的腐蚀剂，高效环保。采用本发明制备的抛光轮抛光的不锈钢表面，具有高的表面平整度和精度，而且还具有抛光效率高、良品率高的优点。应用于不锈钢表面精密研拋，例如：避震器活塞杆/机车前叉內管、转向齿棒等。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于无心外圆磨的高效率不锈钢表面超精密抛光轮及其制备方法。
背景技术
不锈钢因其优异的耐腐蚀性和装饰性能而在工业生产及日常生活中得到了广泛应用,但不锈钢制品在加工过程中表面易生成一层黑色氧化皮，并有一定粗糙度，为提高不锈钢制品的耐蚀性、光洁度和装饰性，须进行抛光处理。目前不锈钢抛光常用的方法有机械抛光、化学抛光和电解抛光。
传统的不锈钢抛光工序如下：一般不锈钢制品成型后要先进行粗抛，粗抛过程一般采用无纺布砂轮、PVA砂轮、砂布页轮以及砂带等进行机械抛光，该工艺的目的是对制品进行除毛刺、倒角、磨平焊缝等，初步降低制品的表面粗糙度。经过机械抛光后，制品表面的粗糙度得到一定程度的降低，但光洁度还达不到使用要求，这就需要对不锈钢制品进行进一步的抛光加工，一般采用化学抛光、电解抛光或机械半精抛或精抛。而在抛光加工的最终工序，有时还需要进行一道机械抛光的工序，采用羊毛抛光轮等，辅以金刚石微粉抛光膏，对不锈钢制品进行镜面打磨抛光。不锈钢的电解及化学抛光液一般由磷酸、硫酸为主要成分，近些年虽然取得了不少进展，但仍存在抛光温度较高、电流密度较大、抛光液中含有对环境有害的铬酸等问题。
公开号为 CN101642893B的中国发明专利中公开了一种用于不锈钢衬底的超精密抛光方法，该方法首次将化学机械平坦化技术应用于薄膜晶体管用柔性金属衬底的抛光。该方法在化学抛光液和抛光垫的共同作用下，对不锈钢衬底进行精密抛光。但该方法存在抛光效率低、不环保的问题，造成大量的资源浪费和环境污染。而本发明所制备的不锈钢超精密抛光轮，不需要化学抛光液，仅在煤油的冷却下就可以一次完成不锈钢的表面抛光。
公开号为CN 105256368 A的中国发明专利公开了一种不锈钢的电化学抛光方法，采用直流电化学抛光方法，电解液成分中含有较少的磷酸，通过该方法能得到光亮平整的表面，包括 ：装料——除油——丙酮超声波清洗——化学除锈——机械打磨——丙酮超声波清洗——电化学抛光——酸洗——中和——钝化——清洗——烘干。不锈钢为1Cr13，电化学抛光的抛光液配方为 ：磷酸 5％~10％，硫酸20％~30％，高氯酸2％，添加剂为适量甘油或乙二醇，抛光温度60~75 度，电解液流速 40mm/s，电压 12~35V，电解时间 1min~5min。
迄今为止，在不需要任何化学抛光液的辅助下，单纯采用抛光轮对不锈钢表面进行精密抛光的方式尚未见报道。
发明内容
本发明的目的正是针对上述现有技术中所存在的不足之处而提供一种无心外圆磨用不锈钢超精密抛光轮及其制备方法。本发明提供的超精密抛光不锈钢表面的抛光轮，既具有优异的磨削性，又具有优异的弹性，不仅能够保证抛光的表面质量，而且能够在不使用化学抛光液的前提下，提高抛光效率和良品率，加工表面粗糙度达到Ra0.063~0.02。
互穿聚合物网络（interpenetrating polymer network，IPN）技术是改善高分子材料综合性能的有效手段之一。IPN是两种或两种以上聚合物网络永久性地互相穿插、缠结而形成的聚合物合金。聚氨酯（PU）弹性体具有优异的耐磨性能、高强度、耐腐蚀、耐冲击等性能，因而在耐磨领域也有着广泛的应用，如大型输送带、电缆护套、煤炭和矿石筛分用的旋流器等；但其较差的耐热性和强度很大程度上限制了其应用领域。因此，在保持聚氨酯固有韧性和耐磨性的基础上，如何提高其强度和耐热性一直是聚氨酯改性研究的重点。另一方面，环氧树脂具有强度高、粘结性能好且热稳定性优异等特性。环氧树脂中的环氧基团还具有与聚氨酯分子链上相应活性基团进行化学反应能力，而使聚氨酯与环氧树脂形成的IPN间产生化学键连接，进而增强二者的相容性。
本发明的目的可通过下述技术措施来实现：
本发明无心外圆磨用不锈钢表面超精密抛光轮由下述重量比的原料制备而成，其中：聚氨酯5%~10%， 环氧树脂15%~20%，白刚玉微粉（W7）30%~45%，三氧化二铬15%~25%，氧化锌10%~20%。
首先，聚氨酯与环氧树脂两种组分，形成互穿聚合物网络，作为本发明抛光轮的有机粘结剂，既保持了聚氨酯优异的弹性和耐磨性，又引入了环氧树脂的高强度和对磨料优异的粘结性。以上性能赋予抛光盘既具有良好的弹性，以保证抛光表面的平整性和光洁度，又具有良好的强度和磨削锋利性，以保证抛光的锋利性和自锐性。
其次，本发明利用白刚玉为磨料，以三氧化二铬和氧化锌为抛光剂。通过控制混料工艺，使三氧化二铬和氧化锌均匀包裹在白刚玉的表面，镶嵌在聚氨酯/环氧树脂聚合物互穿网络之中，赋予抛光轮本身具有良好的磨削性和抛光性，而不需要再抛光过程中另加抛光液和酸碱腐蚀剂，高效环保。
所述环氧树脂取自E-44、E-51或E-31中的任意一种或两种；所述抛光轮的规格设计为305mm×127mm×100mm或510mm×150mm×305mm；属于固结磨料的弹性抛光盘；硬度为邵氏85～95A。
本发明的制备方法步骤如下：
A、将固体粉末相的白刚玉、三氧化二铬、氧化锌通过研磨、过筛混合均匀，再将液相的环氧树脂、聚氨酯以及固化剂混合均匀，然后把以上液相混合物和固体粉末混合物混合，得到混合均匀、利于常温压制（冷压）成型的成型料；
B、将所述成型料通过常温压制（冷压）成型方法进行成型，其中：成型压力为5Mpa、并使用垫铁，进行二次压制，保压时间为5分钟；压制后将型坯脱模取出后，进行分阶段升温固化，其中：60℃固化4小时，80℃固化4小时，100℃固化4小时。
本发明的抛光轮在磨削过程中仅需要煤油冷却液，不需要使用任何酸性或碱性的化学抛光液。
无心外圆磨用超精密抛光不锈钢的抛光轮的组成成份及重量百分比为：聚氨酯5%~10%，环氧树脂15%~20%，白刚玉微粉（W7）30%~45%，三氧化二铬15%~25%，氧化锌10%~20%。
本发明的有益效果如下：
本发明采用环氧树脂改性聚氨酯为结合剂，优化配方和工艺，制备此不锈钢超精密抛光轮。该抛光轮属于固结磨料抛光盘，硬度为邵氏85～95A，既具有优异的弹性，又具有优异的磨削性，磨削与损耗协调同步，不粘附磨屑，在不需要任何化学抛光液的辅助下，就能够完成对不锈钢材料的表面抛光。不仅能够保证不锈钢制品的精确度，而且能够起到较高的抛光效果，加工表面粗糙度达到Ra0.063~0.02。
附图说明
图1是 EP、PU预聚体和PU/EP固化体系不同固化时间的红外光谱图(a：纯EP ，b：纯PU预聚体，c：未固化，d：固化30min；e：完全固化)。
图2 是不同组成对IPN动态力学性能的影响。
图3 是聚氨酯/环氧树脂不同配比试样的热重曲线。
图4 是不同PU/EP比例对IPN胶粘剂拉伸强度和断裂伸长率的影响。
具体实施方式
本发明以下将结合实施例作进一步描述：
实施例 l
A、按重量比取聚氨酯8%，环氧树脂E-51：15%，环氧树脂E-31：5%，白刚玉微粉（W7）40%，三氧化二铬20%，氧化锌12%。
B、将白刚玉、三氧化二铬、氧化锌采用球磨机球磨1小时，过180目筛，备用；将环氧树脂、聚氨酯按配比高速机械搅拌2分钟，再将粉末混合料加入，搅拌30分钟；将成型料注入涂有硅脂脱模剂的模具中，在冷压机上进行压制，成型压力为5MPa，保压时间为5分钟；压制后将型坯脱模取出后，统一进行分阶段升温固化；固化工艺为：60℃固化4小时，80℃固化4小时，100℃固化4小时。
实施例 2
按重量比取聚氨酯10%，环氧树脂E-44：19%，白刚玉微粉（W7）45%，三氧化二铬15%，氧化锌11%。
制备过程同实施例1。
实施例 3
按重量比取聚氨酯7%，环氧树脂E-51：20%，白刚玉微粉（W7）42%，三氧化二铬18%，氧化锌13%。
制备过程同实施例1。
根据不锈钢材料的材质和硬度不同，调整配方，制备相应硬度的弹性抛光轮。使用上述抛光轮抛光不锈钢汽车减震杆，工作线速度为33m/s，用CV-HR100C表面粗糙度轮廓仪检测不锈钢表面质量。抛光轮完成一个抛光工序需要30～40秒，加工的不锈钢汽车减震杆合格率在99%以上。经过本发明所制备的无心外圆磨用不锈钢超精密抛光轮加工后，不锈钢汽车减震杆表面质量达到Ra0.063~0.02µm。
本发明的实验数据如下：
1.聚氨酯/环氧树脂互穿网络的形成机理研究
图1是 PU预聚体、EP以及PU/EP 混合物在不同固化时间的红外光谱图，通过比较曲线c、d和e，可以发现，固化反应开始后，位于2274cm-1处的异氰酸酯基(-NCO)特征峰减弱至消失，这说明PU预聚体中的异氰酸酯基完全参与反应；曲线c和曲线d中位于3466cm-1和3369cm-1的特征峰是由羟基和氨基伸缩振动产生的两个特征峰，在曲线e中只剩下位于3367cm-1处的一个峰，这是因为-OH和-NCO反应生成仲胺。曲线c中位于1037cm-1的环氧树脂的仲羟基的特征峰，随反应进行而且其强度逐渐减弱，并且固化完全后移到1039cm-1，表明在IPN形成过程中环氧树脂分子链上的仲羟基与聚氨酯预聚体中的异氰酸酯基有接技反应发生，表明两组分网络间存在着一定程度的化学结合。位于916cm-1处的环氧树脂中环氧基的对称伸缩振动峰，同样在固化后减弱至消失，说明在固化过程中，体系中的-NCO与部分的环氧基发生反应，环氧基开环，生成烷酮结构。由以上可以推断，PU和EP反应生产IPN的过程中，PU中的异氰酸酯基(-NCO)与环氧树脂中的仲羟基(-OH)、环氧基均发生了反应，所制备的IPN结构中，两个聚合物网络之间存在化学键接，这有助于提高所制备IPN的稳定性和相容性。
2.聚氨酯/环氧树脂IPN复合树脂胶黏剂的相容性分析
DMA是检测聚合物的玻璃化转变温度（Tg）的方法之一。为了研究聚氨酯/环氧树脂互穿网络聚合物的相容性，将样品完全固化后进行了动态力学机械性能检测，进而探讨二者的相容性。按不同的配比制备试样，测试结果见表1和图2。DMA图中的tanδ的峰值对应的温度即为聚合物的Tg。由表1可见，随着环氧树脂的加入可以显著改变聚合物体系的玻璃化转变温度，纯的聚氨酯的Tg为-52.3℃，当PU/EP为10比2时，IPN体系的Tg比纯的聚氨酯提高了42.7℃，并且随着环氧树脂比例的提高，互穿网络聚合物的玻璃化转变温度也相应得到提高。
表1 PU/EP互穿网络聚合物的玻璃化温度与组成之间的关系
图2是聚氨酯/环氧树脂不同配比对IPN动态力学性能的影响曲线。互穿网络聚合物体系的玻璃化温度通常情况下会向两个纯聚合物网络Tg之间内迁，两网络的相容性决定内迁的程度。从图中可以看出所有的PU/EP IPN样品都只有一个玻璃化转变峰，且该Tg都处在纯聚氨酯和纯环氧树脂玻璃化转变温度之间，这表明聚氨酯/环氧树脂IPN 中PU和EP两网络具有很好的相容性，互穿程度高。这种良好的相容性产生的原因是：在IPN中PU和EP两网络间除了存在相互穿透还存在着多种形式的化学键，环氧树脂中的仲羟基和聚氨酯中的-NCO生成接枝共聚物，环氧基与聚氨酯中的-NCO生成烷酮结构，使得两网络之间具有化学结合，并且聚氨酯/环氧树脂IPN高度的交联。另外可以发现聚氨酯/环氧树脂IPN体系的Tg随着环氧树脂的含量的提高均非常接近纯EP的Tg，即向Tg高的一侧移动，说明PU与EP之间相容性好且具有接近链段水平的相容性。这是由于聚氨酯/环氧树脂IPN体系中的两聚合物网络之间存在着大量的化学键，两网络间的相互缠结使得相分离得到动力学约束，分子间作用力大，有力地束缚了分子链的运动。
3.聚氨酯/环氧树脂互穿网络复合胶黏剂的耐热性分析
图3是不同配比的聚氨酯/环氧树脂IPN胶粘剂体系的热失重曲线图，从图中可以看出纯聚氨酯（曲线f）的耐热性能较差，而随着环氧树脂的加入比例的提高，具有PU/EP IPN结构的试样的热稳定性比纯PU都有不同程度的提高，主要表现在：聚合物初始分解温度的提高；热失重达到一定百分比时所对应的温度也有所提高。曲线c为聚氨酯/环氧树脂为10:6时制得的样品的耐热性最好，其初始分解温度在325℃，比纯PU提高了20℃。然而随着环氧树脂的继续加入其
耐热性又有所下降。这表明聚氨酯/环氧树脂为10:6时两者相容性较好，协同效应明显。聚合物的耐热性的变化与本身结构有着密切关系，对于纯聚氨酯体系，其内部只存在着聚氨酯三维网状结构，但是随着环氧树脂的加入，聚氨酯体系中的-NCO与环氧树脂中的仲羟基发生接枝反应以及环氧基的开环反应，产生化学键结合，两种聚合物相互贯穿而形成互穿网络结构，那么当聚氨酯/环氧树脂为10:6时，环氧树脂可以均匀分散于聚氨酯网络之中，同时两相间的永久缠结达到了饱和状态，交联密度达到最大，因此要破坏这种互穿网络结构就需要比破坏纯聚氨酯的单相网络结构更大的能量，这在IPN胶粘剂材料的热稳定性上表现为曲线c即聚氨酯/环氧树脂为10:6时的初始分解温度和热失重达到一定百分比时对应的温度提高。当曲线b即聚氨酯/环氧树脂为10:8比曲线c的耐热性差，因为IPN体系两相间的交联密度在聚氨酯/环氧树脂为10:6时就已经达到了饱和状态，不可能形成更多的永久缠结，再增加环氧树脂的含量，相当于降低了永久缠结在整个互穿网络体系中的密度，同时，环氧树脂组分的含量较大时，聚氨酯与环氧树脂之间的相容性变差，体系容易产生相分离，因而表现出继续增加环氧树脂的含量，使得其耐热性能有所下降。
4. 聚氨酯/环氧树脂不同配比对IPN胶粘剂力学性能的影响
试验中为了考察环氧树脂的含量对聚氨酯/环氧树脂IPN胶粘剂力学性能的影响，通过改变两者的比例，使PU/EP之间的配比分别为10 : 2、10 : 4、10 : 6、10 : 8、10 : 10，然后制成试样，分别对其拉伸强度、断裂伸长率、冲击强度以及硬度进行了测试实验。
图4为不同聚氨酯/环氧树脂的比例与IPN胶粘剂的拉伸强度和断裂伸长率的关系曲线。由图可知，随着环氧树脂的加入量的不断增加，IPN体系的拉伸强度持续提高。这是由于环氧树脂的加入，使聚氨酯与其互相缠绕在一起，形成了互穿网络。聚氨酯/环氧树脂IPN体系随着环氧树脂加入量的增加，聚合物中的刚性链段相对增加，而柔性链段相对减少，则聚合物的刚性提高。由于体系中加入环氧树脂中的-OH和聚氨酯中的-NCO以及过量的TDI中的-NCO发生了交联反应，另外还有部分的环氧树脂发生了开环交联反应，进一步加强了网络的形成，因此本体系中当环氧树脂加入量越多时，拉伸强度越大。但是随着环氧树脂加入量的增加，体系中刚性链段增加，柔性链段减少，使得IPN体系的断裂伸长率一直呈下降趋势，这是由于IPN体系固化后，产生了微观相分离，当环氧树脂含量较少时，体系中环氧树脂以分散相分散在聚氨酯的连续相中，总体上表现出聚氨酯的性质，当环氧树脂的含量持续提高后，体系中聚氨酯连续相被破坏，逐渐有表现环氧树脂性能的趋势，使得断裂伸长率下降。
Claims (4)
1.一种无心外圆磨用不锈钢超精密抛光轮，其特征在于：它是由下述重量比的原料制备而成，其中：聚氨酯5%~10%，环氧树脂15%~20%，白刚玉微粉30%~45%，三氧化二铬15%~25%，氧化锌10%~20%。
2.根据权利要求1所述的无心外圆磨用不锈钢超精密抛光轮，其特征在于：所述环氧树脂取自E-44、E-51或E-31中的任意一种或两种。
3.根据权利要求1所述的无心外圆磨用不锈钢超精密抛光轮，其特征在于：所述抛光轮的规格设计为305mm×127mm×100mm或510mm×150mm×305mm；属于固结磨料的弹性抛光盘；硬度为邵氏85～95A。
4.一种用于制备权利要求1所述的无心外圆磨用不锈钢超精密抛光轮的方法，其特征在于：所述方法步骤如下：
A、将固体粉末相的白刚玉、三氧化二铬、氧化锌通过研磨、过筛混合均匀，再将液相的环氧树脂、聚氨酯以及固化剂混合均匀，然后把以上液相混合物和固体粉末混合物混合，得到混合均匀、利于常温压制成型的成型料；
B、将所述成型料通过常温压制成型方法进行成型，其中：成型压力为5Mpa、并使用垫铁，进行二次压制，保压时间为5分钟；压制后将型坯脱模取出后，进行分阶段升温固化，其中：60℃固化4小时，80℃固化4小时，100℃固化4小时。
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