超硬磨具用环氧树脂胶粘剂粘接强度影响因素的研究 
             刘一波,刘伟,孙越邈,徐晓伟,黄盛林,赵刚,陈哲
   ( 1.钢铁研究总院,北京 100081;2.北京科技大学,北京 100083)
摘 要:研究了陶瓷结合剂超硬磨具用CH型环氧树脂胶粘剂固化比、温度和添加铜粉改性对胶粘剂粘接 强度的影响。结果表明:A(环氧树脂)∶B(固化剂)的不同配比显著影响粘接强度,A∶B=2∶3或3∶2 时,其强度达到最大。随温度上升,粘接强度逐渐下降,当温度上升到125℃时其粘接强度仍能达到10MPa。 添加铜粉改性后,胶粘剂粘接强度随着铜粉的增加先增加后下降,当铜粉含量为5wt%时,其强度最大,比 不改性的胶粘剂粘接强度提高约25%。
关键词:陶瓷结合剂超硬材料磨具;环氧树脂胶粘剂;粘接强度;粘接工艺
近年来,由于高精度加工技术的不断发展,尤其 是在航空航天发动机精密部件,汽车涡轮轴,轴承行 业以及结构陶瓷器件等难加工材料方面的应用对磨 具的要求越来越高[1~3]。陶瓷结合剂超硬磨具(包括 金刚石和立方氮化硼(cBN)超硬磨具)具有硬度高、 耐热性好、气孔率高、形状保持性好、易容屑排屑、易 修整、自锐性好、不易烧伤工件,使用寿命长等普通磨 具难以比拟的优异性能[4],使其在高效高精度加工方 面得到了广泛的应用。陶瓷结合剂超硬磨具主要由金 属基体和陶瓷磨削层结合而成,实现这一结合主要是 胶粘剂的功劳。文献[5]虽简单介绍了应用于陶瓷领 域的各类胶粘剂近年来国内外的研究情况,但对于本 实验陶瓷结合剂超硬磨具用CH型环氧树脂胶粘剂 的具体应用研究尚未见诸文献。本实验研究环氧树脂 胶粘剂不同的固化配比(质量比)粘接强度;采用自制 的控温拉伸设备测试不同温度下胶粘剂粘接强度;添 加铜粉对胶粘剂进行改性;采用扫描电镜(SEM)观 察胶面断裂形貌。实验选用的是超硬磨具领域常用的 国产CH型环氧树脂胶粘剂。本实验研究结果对于制 定陶瓷结合剂超硬材料磨具的粘接工艺具有指导意 义。
1 实验过程
将配好的陶瓷结合剂磨块料烧制成5×5× 20mm3的磨削层陶瓷试样块,用于粘接的金属块粘 接面尺寸为4×5mm2。考虑到用相同尺寸“金属块— 金属块”试样对接便于操作,更容易获得胶粘剂的粘 接强度测试数据,本实验采用“金属—金属”试样获得 不同固化比(其中A为环氧树脂,B为固化剂聚酰胺) 粘接强度。
以实验中室温粘接强度最大对应的固化配比配 制的胶粘剂粘接陶瓷块和金属块,制备“金属—金属” 和“金属—陶瓷”两组试样,并采用自制的可控温度拉 伸强度测试装置测量不同温度下两组试样对应胶粘 剂的粘接强度,分析不同温度对该胶粘剂粘接强度的 影响。又采用在胶粘剂中添加325目(ASTM)纯铜粉 对胶粘剂进行改性,分析不同含量铜粉对本试验用环 氧树脂胶粘剂粘接强度的影响。采用SEM观察改性 前后胶粘剂的拉伸断面形貌。
2 结果与讨论
2.1 自制控温拉伸设备简介
本实验为测量温度对陶瓷结合剂超硬磨具用胶 粘剂粘接强度的影响,设计了一套可控温拉伸实验装 置,其简图如图1。

图1中的加热控制系统可以调节温度的变化情 况,从而可以测定胶粘剂在不同温度下能够承受的最 大拉力,再通过测量粘接面的面积,得出粘接剂的粘 接强度随环境温度的变化规律。
本试验装置能够满足不同形状尺寸试样的控温 拉伸实验测试研究,而万能拉伸试验机对样品的尺寸 要求比较苛刻,加热也不如自制装置方便,而自制装 置利用水流加载,可以通过控制水流的大小实现连 续、无冲击加载荷。实验表明,本实验设计的可控温测 试装置具有原理清晰,制作方便,价廉等优点,能够较 好的适合于本实验中粘接强度的测试。
2.2 胶粘剂不同的固化配比对粘接强度的影响 室温条件下,不同固化配比的胶粘剂粘接“金属 块—金属块”试样的拉伸强度随环氧树脂(A)含量的 变化如图2所示。

从图2可以看出当环氧树脂A含量小于40wt% 时,胶粘剂的室温粘接强度随着环氧树脂的增加而增 加,当A含量达到40wt%时其粘接强度达到最大值, 约为19MPa;之后随着固化剂A的含量增加,粘接强 度开始下降,在50wt%时降到约12MPa,然后随着A 的含量增加,粘接强度开始增加,当A含量在60wt% 时粘接强度增加到新的峰值,约为18.3MPa,之后,又 随着A含量的增加粘接强度开始下降。胶粘剂固化过 程主要是环氧树脂与固化剂之间发生反应生成网状 聚集体而使胶粘剂的粘接强度表现出来的过程,当环 氧树脂和固化剂的比例不合适时都会影响粘接剂的 粘接强度。
2.3 温度对胶粘剂粘接强度的影响
考虑到在一定温度下陶瓷结合剂超硬磨具用胶 粘剂强度越高对超硬磨具使用越有利。实验发现,固 化配比对胶粘剂的粘接强度影响较大。本实验采用了 粘接强度较好的配比(质量配比A∶B=3∶2),制备 “金属-金属”和“金属-陶瓷”两组试样,不同温度下 粘接强度随温度的变化趋势如图3所示。其中,从实 验过程中得知在105℃以前拉伸时,“金属-陶瓷”试 样的陶瓷面被拉裂,胶层完好,说明低于105℃时胶的 粘接强度大于13MPa。对于陶瓷结合剂超硬磨具而 言,胶粘剂的粘接强度大于陶瓷块的强度,在使用过 程中就不会发生陶瓷脱落现象。

从图3可以看出,对于“金属-金属”试样,从室 温到125℃,胶粘剂的粘接强度下降缓慢,其强度从室 温时的18MPa下降到10MPa,当温度进一步升高到 135℃时,粘接强度快速下降到3.5MPa。对于“金属- 陶瓷”试样,从实验的数据分析得知,粘接强度随温度 的变化与“金属-金属”试样的变化趋势一致。在磨削 加工中,冷却剂对工件加工具有重要的影响,文献[6] 研究了液态冷却与压缩冷空气冷却两种方式对磨削 加工的影响,发现两种冷却方式影响趋势一致,从文 献中还能了解到磨削加工的环境温度对加工过程影 响极其重要。从曲线的趋势可以看出,陶瓷结合剂超 硬磨具能够在125℃的温度下正常工作,而不会发生 陶瓷块脱落现象,这对陶瓷结合剂超硬磨具的使用具 有指导意义。
2.4 不同质量分数铜粉对粘接强度的影响
采用325目(ASTM)纯铜粉对胶粘剂(A∶B= 2∶3)进行改性,室温下测量了添加不同质量分数的 铜粉对胶粘强度的影响,其变化趋势如图4所示。

从图4可以看出,铜粉含量为5wt%时改性胶粘 剂粘接强度最高达到22.5MPa,比没改性前的粘接强 度约提高25%;此后随着铜粉含量的增加胶粘剂的粘 接强度逐渐下降,铜粉含量在20%左右的粘接强度与 没改性时的强度基本相当。这是因为,胶粘剂固化过 程,主要是环氧树脂和聚酰胺发生反应生成网络结构 聚合物的过程,铜粉填充在聚合物中间使反应物固化 收缩比例减小,增加网络聚合物的均匀性,从而减小 固化反应产生的内应力达到提高胶粘剂粘接强度的 效果;但是随着铜粉含量的进一步增加,它可以阻碍 胶粘剂之间的固化反应,减少网络结构聚合物的生 成,胶粘剂的粘接强度反而下降。
图5是胶粘剂拉伸断口形貌,其中(a)为未添加 铜粉的胶粘剂断口形貌,发现其断口上有不均匀的网 络结构和孔洞;(b)中部分孔洞被铜粉填充,且(b)中

的网络结构明显比(a)中的网络结构均匀。而(c)中的 网络结构因铜粉的增加受到一定程度的破坏。
3 结论
(1)粘接强度随着A∶B的比例增加呈波动变 化,当A∶B=2∶3或3∶2时,其粘接强度达到最大, 约为19MPa。
(2)随着温度上升,胶粘剂的粘接强度逐渐下降; 当温度从室温升到125℃时,其强度从19MPa下降到 10MPa;温度达到135℃时,其强度快速下降到 3.5MPa。
(3)添加铜粉改性后,胶粘剂粘接强度随着铜粉 的增加先增加后下降,当铜粉含量为5wt%时,其强 度到达最大,比不改性的胶粘剂粘接强度提高约 25%。
参考文献:
[1] 张习敏,王明智,王艳辉.不同造孔剂对陶瓷结合剂性能的影 响[J].金刚石与磨料磨具工程, 2002, 131(5): 19-22 .
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