本發(fā)明涉及一種適用于無(wú)心外圓磨的高效率不銹鋼表面超精密拋光輪及其制備方法。

背景技術(shù)：

不銹鋼因其優(yōu)異的耐腐蝕性和裝飾性能而在工業(yè)生產(chǎn)及日常生活中得到了廣泛應(yīng)用,但不銹鋼制品在加工過(guò)程中表面易生成一層黑色氧化皮，并有一定粗糙度，為提高不銹鋼制品的耐蝕性、光潔度和裝飾性，須進(jìn)行拋光處理。目前不銹鋼拋光常用的方法有機(jī)械拋光、化學(xué)拋光和電解拋光。

傳統(tǒng)的不銹鋼拋光工序如下：一般不銹鋼制品成型后要先進(jìn)行粗拋，粗拋過(guò)程一般采用無(wú)紡布砂輪、PVA砂輪、砂布頁(yè)輪以及砂帶等進(jìn)行機(jī)械拋光，該工藝的目的是對(duì)制品進(jìn)行除毛刺、倒角、磨平焊縫等，初步降低制品的表面粗糙度。經(jīng)過(guò)機(jī)械拋光后，制品表面的粗糙度得到一定程度的降低，但光潔度還達(dá)不到使用要求，這就需要對(duì)不銹鋼制品進(jìn)行進(jìn)一步的拋光加工，一般采用化學(xué)拋光、電解拋光或機(jī)械半精拋或精拋。而在拋光加工的最終工序，有時(shí)還需要進(jìn)行一道機(jī)械拋光的工序，采用羊毛拋光輪等，輔以金剛石微粉拋光膏，對(duì)不銹鋼制品進(jìn)行鏡面打磨拋光。不銹鋼的電解及化學(xué)拋光液一般由磷酸、硫酸為主要成分，近些年雖然取得了不少進(jìn)展，但仍存在拋光溫度較高、電流密度較大、拋光液中含有對(duì)環(huán)境有害的鉻酸等問(wèn)題。

公開(kāi)號(hào)為 CN101642893B的中國(guó)發(fā)明專利中公開(kāi)了一種用于不銹鋼襯底的超精密拋光方法，該方法首次將化學(xué)機(jī)械平坦化技術(shù)應(yīng)用于薄膜晶體管用柔性金屬襯底的拋光。該方法在化學(xué)拋光液和拋光墊的共同作用下，對(duì)不銹鋼襯底進(jìn)行精密拋光。但該方法存在拋光效率低、不環(huán)保的問(wèn)題，造成大量的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。而本發(fā)明所制備的不銹鋼超精密拋光輪，不需要化學(xué)拋光液，僅在煤油的冷卻下就可以一次完成不銹鋼的表面拋光。

公開(kāi)號(hào)為CN 105256368 A的中國(guó)發(fā)明專利公開(kāi)了一種不銹鋼的電化學(xué)拋光方法，采用直流電化學(xué)拋光方法，電解液成分中含有較少的磷酸，通過(guò)該方法能得到光亮平整的表面，包括 ：裝料——除油——丙酮超聲波清洗——化學(xué)除銹——機(jī)械打磨——丙酮超聲波清洗——電化學(xué)拋光——酸洗——中和——鈍化——清洗——烘干。不銹鋼為1Cr13，電化學(xué)拋光的拋光液配方為 ：磷酸 5％~10％，硫酸20％~30％，高氯酸2％，添加劑為適量甘油或乙二醇，拋光溫度60~75 度，電解液流速 40mm/s，電壓 12~35V，電解時(shí)間 1min~5min。

迄今為止，在不需要任何化學(xué)拋光液的輔助下，單純采用拋光輪對(duì)不銹鋼表面進(jìn)行精密拋光的方式尚未見(jiàn)報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的正是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中所存在的不足之處而提供一種無(wú)心外圓磨用不銹鋼超精密拋光輪及其制備方法。本發(fā)明提供的超精密拋光不銹鋼表面的拋光輪，既具有優(yōu)異的磨削性，又具有優(yōu)異的彈性，不僅能夠保證拋光的表面質(zhì)量，而且能夠在不使用化學(xué)拋光液的前提下，提高拋光效率和良品率，加工表面粗糙度達(dá)到Ra0.063~0.02。

互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)（interpenetrating polymer network，IPN）技術(shù)是改善高分子材料綜合性能的有效手段之一。IPN是兩種或兩種以上聚合物網(wǎng)絡(luò)永久性地互相穿插、纏結(jié)而形成的聚合物合金。聚氨酯（PU）彈性體具有優(yōu)異的耐磨性能、高強(qiáng)度、耐腐蝕、耐沖擊等性能，因而在耐磨領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用，如大型輸送帶、電纜護(hù)套、煤炭和礦石篩分用的旋流器等；但其較差的耐熱性和強(qiáng)度很大程度上限制了其應(yīng)用領(lǐng)域。因此，在保持聚氨酯固有韌性和耐磨性的基礎(chǔ)上，如何提高其強(qiáng)度和耐熱性一直是聚氨酯改性研究的重點(diǎn)。另一方面，環(huán)氧樹(shù)脂具有強(qiáng)度高、粘結(jié)性能好且熱穩(wěn)定性優(yōu)異等特性。環(huán)氧樹(shù)脂中的環(huán)氧基團(tuán)還具有與聚氨酯分子鏈上相應(yīng)活性基團(tuán)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)能力，而使聚氨酯與環(huán)氧樹(shù)脂形成的IPN間產(chǎn)生化學(xué)鍵連接，進(jìn)而增強(qiáng)二者的相容性。

本發(fā)明的目的可通過(guò)下述技術(shù)措施來(lái)實(shí)現(xiàn)：

本發(fā)明無(wú)心外圓磨用不銹鋼表面超精密拋光輪由下述重量比的原料制備而成，其中：聚氨酯5%~10%， 環(huán)氧樹(shù)脂15%~20%，白剛玉微粉（W7）30%~45%，三氧化二鉻15%~25%，氧化鋅10%~20%。

首先，聚氨酯與環(huán)氧樹(shù)脂兩種組分，形成互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)，作為本發(fā)明拋光輪的有機(jī)粘結(jié)劑，既保持了聚氨酯優(yōu)異的彈性和耐磨性，又引入了環(huán)氧樹(shù)脂的高強(qiáng)度和對(duì)磨料優(yōu)異的粘結(jié)性。以上性能賦予拋光盤既具有良好的彈性，以保證拋光表面的平整性和光潔度，又具有良好的強(qiáng)度和磨削鋒利性，以保證拋光的鋒利性和自銳性。

其次，本發(fā)明利用白剛玉為磨料，以三氧化二鉻和氧化鋅為拋光劑。通過(guò)控制混料工藝，使三氧化二鉻和氧化鋅均勻包裹在白剛玉的表面，鑲嵌在聚氨酯/環(huán)氧樹(shù)脂聚合物互穿網(wǎng)絡(luò)之中，賦予拋光輪本身具有良好的磨削性和拋光性，而不需要再拋光過(guò)程中另加拋光液和酸堿腐蝕劑，高效環(huán)保。

所述環(huán)氧樹(shù)脂取自E-44、E-51或E-31中的任意一種或兩種；所述拋光輪的規(guī)格設(shè)計(jì)為305mm×127mm×100mm或510mm×150mm×305mm；屬于固結(jié)磨料的彈性拋光盤；硬度為邵氏85～95A。

本發(fā)明的制備方法步驟如下：

A、將固體粉末相的白剛玉、三氧化二鉻、氧化鋅通過(guò)研磨、過(guò)篩混合均勻，再將液相的環(huán)氧樹(shù)脂、聚氨酯以及固化劑混合均勻，然后把以上液相混合物和固體粉末混合物混合，得到混合均勻、利于常溫壓制（冷壓）成型的成型料；

B、將所述成型料通過(guò)常溫壓制（冷壓）成型方法進(jìn)行成型，其中：成型壓力為5Mpa、并使用墊鐵，進(jìn)行二次壓制，保壓時(shí)間為5分鐘；壓制后將型坯脫模取出后，進(jìn)行分階段升溫固化，其中：60℃固化4小時(shí)，80℃固化4小時(shí)，100℃固化4小時(shí)。

本發(fā)明的拋光輪在磨削過(guò)程中僅需要煤油冷卻液，不需要使用任何酸性或堿性的化學(xué)拋光液。

無(wú)心外圓磨用超精密拋光不銹鋼的拋光輪的組成成份及重量百分比為：聚氨酯5%~10%，環(huán)氧樹(shù)脂15%~20%，白剛玉微粉（W7）30%~45%，三氧化二鉻15%~25%，氧化鋅10%~20%。

本發(fā)明的有益效果如下：

本發(fā)明采用環(huán)氧樹(shù)脂改性聚氨酯為結(jié)合劑，優(yōu)化配方和工藝，制備此不銹鋼超精密拋光輪。該拋光輪屬于固結(jié)磨料拋光盤，硬度為邵氏85～95A，既具有優(yōu)異的彈性，又具有優(yōu)異的磨削性，磨削與損耗協(xié)調(diào)同步，不粘附磨屑，在不需要任何化學(xué)拋光液的輔助下，就能夠完成對(duì)不銹鋼材料的表面拋光。不僅能夠保證不銹鋼制品的精確度，而且能夠起到較高的拋光效果，加工表面粗糙度達(dá)到Ra0.063~0.02。

附圖說(shuō)明

圖1是 EP、PU預(yù)聚體和PU/EP固化體系不同固化時(shí)間的紅外光譜圖(a：純EP ，b：純PU預(yù)聚體，c：未固化，d：固化30min；e：完全固化)。

圖2 是不同組成對(duì)IPN動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響。

圖3 是聚氨酯/環(huán)氧樹(shù)脂不同配比試樣的熱重曲線。

圖4 是不同PU/EP比例對(duì)IPN膠粘劑拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的影響。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明以下將結(jié)合實(shí)施例作進(jìn)一步描述：

實(shí)施例 l

A、按重量比取聚氨酯8%，環(huán)氧樹(shù)脂E-51：15%，環(huán)氧樹(shù)脂E-31：5%，白剛玉微粉（W7）40%，三氧化二鉻20%，氧化鋅12%。

B、將白剛玉、三氧化二鉻、氧化鋅采用球磨機(jī)球磨1小時(shí)，過(guò)180目篩，備用；將環(huán)氧樹(shù)脂、聚氨酯按配比高速機(jī)械攪拌2分鐘，再將粉末混合料加入，攪拌30分鐘；將成型料注入涂有硅脂脫模劑的模具中，在冷壓機(jī)上進(jìn)行壓制，成型壓力為5MPa，保壓時(shí)間為5分鐘；壓制后將型坯脫模取出后，統(tǒng)一進(jìn)行分階段升溫固化；固化工藝為：60℃固化4小時(shí)，80℃固化4小時(shí)，100℃固化4小時(shí)。

實(shí)施例 2

按重量比取聚氨酯10%，環(huán)氧樹(shù)脂E-44：19%，白剛玉微粉（W7）45%，三氧化二鉻15%，氧化鋅11%。

制備過(guò)程同實(shí)施例1。

實(shí)施例 3

按重量比取聚氨酯7%，環(huán)氧樹(shù)脂E-51：20%，白剛玉微粉（W7）42%，三氧化二鉻18%，氧化鋅13%。

制備過(guò)程同實(shí)施例1。

根據(jù)不銹鋼材料的材質(zhì)和硬度不同，調(diào)整配方，制備相應(yīng)硬度的彈性拋光輪。使用上述拋光輪拋光不銹鋼汽車減震桿，工作線速度為33m/s，用CV-HR100C表面粗糙度輪廓儀檢測(cè)不銹鋼表面質(zhì)量。拋光輪完成一個(gè)拋光工序需要30～40秒，加工的不銹鋼汽車減震桿合格率在99%以上。經(jīng)過(guò)本發(fā)明所制備的無(wú)心外圓磨用不銹鋼超精密拋光輪加工后，不銹鋼汽車減震桿表面質(zhì)量達(dá)到Ra0.063~0.02μm。

本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：

1.聚氨酯/環(huán)氧樹(shù)脂互穿網(wǎng)絡(luò)的形成機(jī)理研究

圖1是 PU預(yù)聚體、EP以及PU/EP 混合物在不同固化時(shí)間的紅外光譜圖，通過(guò)比較曲線c、d和e，可以發(fā)現(xiàn)，固化反應(yīng)開(kāi)始后，位于2274cm^-1處的異氰酸酯基(-NCO)特征峰減弱至消失，這說(shuō)明PU預(yù)聚體中的異氰酸酯基完全參與反應(yīng)；曲線c和曲線d中位于3466cm^-1和3369cm-¹的特征峰是由羥基和氨基伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的兩個(gè)特征峰，在曲線e中只剩下位于3367cm^-1處的一個(gè)峰，這是因?yàn)?OH和-NCO反應(yīng)生成仲胺。曲線c中位于1037cm^-1的環(huán)氧樹(shù)脂的仲羥基的特征峰，隨反應(yīng)進(jìn)行而且其強(qiáng)度逐漸減弱，并且固化完全后移到1039cm^-1，表明在IPN形成過(guò)程中環(huán)氧樹(shù)脂分子鏈上的仲羥基與聚氨酯預(yù)聚體中的異氰酸酯基有接技反應(yīng)發(fā)生，表明兩組分網(wǎng)絡(luò)間存在著一定程度的化學(xué)結(jié)合。位于916cm^-1處的環(huán)氧樹(shù)脂中環(huán)氧基的對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰，同樣在固化后減弱至消失，說(shuō)明在固化過(guò)程中，體系中的-NCO與部分的環(huán)氧基發(fā)生反應(yīng)，環(huán)氧基開(kāi)環(huán)，生成烷酮結(jié)構(gòu)。由以上可以推斷，PU和EP反應(yīng)生產(chǎn)IPN的過(guò)程中，PU中的異氰酸酯基(-NCO)與環(huán)氧樹(shù)脂中的仲羥基(-OH)、環(huán)氧基均發(fā)生了反應(yīng)，所制備的IPN結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)聚合物網(wǎng)絡(luò)之間存在化學(xué)鍵接，這有助于提高所制備IPN的穩(wěn)定性和相容性。

2.聚氨酯/環(huán)氧樹(shù)脂IPN復(fù)合樹(shù)脂膠黏劑的相容性分析

DMA是檢測(cè)聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）的方法之一。為了研究聚氨酯/環(huán)氧樹(shù)脂互穿網(wǎng)絡(luò)聚合物的相容性，將樣品完全固化后進(jìn)行了動(dòng)態(tài)力學(xué)機(jī)械性能檢測(cè)，進(jìn)而探討二者的相容性。按不同的配比制備試樣，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1和圖2。DMA圖中的tanδ的峰值對(duì)應(yīng)的溫度即為聚合物的Tg。由表1可見(jiàn)，隨著環(huán)氧樹(shù)脂的加入可以顯著改變聚合物體系的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，純的聚氨酯的Tg為-52.3℃，當(dāng)PU/EP為10比2時(shí)，IPN體系的Tg比純的聚氨酯提高了42.7℃，并且隨著環(huán)氧樹(shù)脂比例的提高，互穿網(wǎng)絡(luò)聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度也相應(yīng)得到提高。

表1 PU/EP互穿網(wǎng)絡(luò)聚合物的玻璃化溫度與組成之間的關(guān)系

圖2是聚氨酯/環(huán)氧樹(shù)脂不同配比對(duì)IPN動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響曲線?；ゴ┚W(wǎng)絡(luò)聚合物體系的玻璃化溫度通常情況下會(huì)向兩個(gè)純聚合物網(wǎng)絡(luò)Tg之間內(nèi)遷，兩網(wǎng)絡(luò)的相容性決定內(nèi)遷的程度。從圖中可以看出所有的PU/EP IPN樣品都只有一個(gè)玻璃化轉(zhuǎn)變峰，且該Tg都處在純聚氨酯和純環(huán)氧樹(shù)脂玻璃化轉(zhuǎn)變溫度之間，這表明聚氨酯/環(huán)氧樹(shù)脂IPN 中PU和EP兩網(wǎng)絡(luò)具有很好的相容性，互穿程度高。這種良好的相容性產(chǎn)生的原因是：在IPN中PU和EP兩網(wǎng)絡(luò)間除了存在相互穿透還存在著多種形式的化學(xué)鍵，環(huán)氧樹(shù)脂中的仲羥基和聚氨酯中的-NCO生成接枝共聚物，環(huán)氧基與聚氨酯中的-NCO生成烷酮結(jié)構(gòu)，使得兩網(wǎng)絡(luò)之間具有化學(xué)結(jié)合，并且聚氨酯/環(huán)氧樹(shù)脂IPN高度的交聯(lián)。另外可以發(fā)現(xiàn)聚氨酯/環(huán)氧樹(shù)脂IPN體系的Tg隨著環(huán)氧樹(shù)脂的含量的提高均非常接近純EP的Tg，即向Tg高的一側(cè)移動(dòng)，說(shuō)明PU與EP之間相容性好且具有接近鏈段水平的相容性。這是由于聚氨酯/環(huán)氧樹(shù)脂IPN體系中的兩聚合物網(wǎng)絡(luò)之間存在著大量的化學(xué)鍵，兩網(wǎng)絡(luò)間的相互纏結(jié)使得相分離得到動(dòng)力學(xué)約束，分子間作用力大，有力地束縛了分子鏈的運(yùn)動(dòng)。

3.聚氨酯/環(huán)氧樹(shù)脂互穿網(wǎng)絡(luò)復(fù)合膠黏劑的耐熱性分析

圖3是不同配比的聚氨酯/環(huán)氧樹(shù)脂IPN膠粘劑體系的熱失重曲線圖，從圖中可以看出純聚氨酯（曲線f）的耐熱性能較差，而隨著環(huán)氧樹(shù)脂的加入比例的提高，具有PU/EP IPN結(jié)構(gòu)的試樣的熱穩(wěn)定性比純PU都有不同程度的提高，主要表現(xiàn)在：聚合物初始分解溫度的提高；熱失重達(dá)到一定百分比時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度也有所提高。曲線c為聚氨酯/環(huán)氧樹(shù)脂為10:6時(shí)制得的樣品的耐熱性最好，其初始分解溫度在325℃，比純PU提高了20℃。然而隨著環(huán)氧樹(shù)脂的繼續(xù)加入其

耐熱性又有所下降。這表明聚氨酯/環(huán)氧樹(shù)脂為10:6時(shí)兩者相容性較好，協(xié)同效應(yīng)明顯。聚合物的耐熱性的變化與本身結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系，對(duì)于純聚氨酯體系，其內(nèi)部只存在著聚氨酯三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，但是隨著環(huán)氧樹(shù)脂的加入，聚氨酯體系中的-NCO與環(huán)氧樹(shù)脂中的仲羥基發(fā)生接枝反應(yīng)以及環(huán)氧基的開(kāi)環(huán)反應(yīng)，產(chǎn)生化學(xué)鍵結(jié)合，兩種聚合物相互貫穿而形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，那么當(dāng)聚氨酯/環(huán)氧樹(shù)脂為10:6時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂可以均勻分散于聚氨酯網(wǎng)絡(luò)之中，同時(shí)兩相間的永久纏結(jié)達(dá)到了飽和狀態(tài)，交聯(lián)密度達(dá)到最大，因此要破壞這種互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)就需要比破壞純聚氨酯的單相網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更大的能量，這在IPN膠粘劑材料的熱穩(wěn)定性上表現(xiàn)為曲線c即聚氨酯/環(huán)氧樹(shù)脂為10:6時(shí)的初始分解溫度和熱失重達(dá)到一定百分比時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度提高。當(dāng)曲線b即聚氨酯/環(huán)氧樹(shù)脂為10:8比曲線c的耐熱性差，因?yàn)镮PN體系兩相間的交聯(lián)密度在聚氨酯/環(huán)氧樹(shù)脂為10:6時(shí)就已經(jīng)達(dá)到了飽和狀態(tài)，不可能形成更多的永久纏結(jié)，再增加環(huán)氧樹(shù)脂的含量，相當(dāng)于降低了永久纏結(jié)在整個(gè)互穿網(wǎng)絡(luò)體系中的密度，同時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂組分的含量較大時(shí)，聚氨酯與環(huán)氧樹(shù)脂之間的相容性變差，體系容易產(chǎn)生相分離，因而表現(xiàn)出繼續(xù)增加環(huán)氧樹(shù)脂的含量，使得其耐熱性能有所下降。

4. 聚氨酯/環(huán)氧樹(shù)脂不同配比對(duì)IPN膠粘劑力學(xué)性能的影響

試驗(yàn)中為了考察環(huán)氧樹(shù)脂的含量對(duì)聚氨酯/環(huán)氧樹(shù)脂IPN膠粘劑力學(xué)性能的影響，通過(guò)改變兩者的比例，使PU/EP之間的配比分別為10 : 2、10 : 4、10 : 6、10 : 8、10 : 10，然后制成試樣，分別對(duì)其拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、沖擊強(qiáng)度以及硬度進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

圖4為不同聚氨酯/環(huán)氧樹(shù)脂的比例與IPN膠粘劑的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的關(guān)系曲線。由圖可知，隨著環(huán)氧樹(shù)脂的加入量的不斷增加，IPN體系的拉伸強(qiáng)度持續(xù)提高。這是由于環(huán)氧樹(shù)脂的加入，使聚氨酯與其互相纏繞在一起，形成了互穿網(wǎng)絡(luò)。聚氨酯/環(huán)氧樹(shù)脂IPN體系隨著環(huán)氧樹(shù)脂加入量的增加，聚合物中的剛性鏈段相對(duì)增加，而柔性鏈段相對(duì)減少，則聚合物的剛性提高。由于體系中加入環(huán)氧樹(shù)脂中的-OH和聚氨酯中的-NCO以及過(guò)量的TDI中的-NCO發(fā)生了交聯(lián)反應(yīng)，另外還有部分的環(huán)氧樹(shù)脂發(fā)生了開(kāi)環(huán)交聯(lián)反應(yīng)，進(jìn)一步加強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的形成，因此本體系中當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂加入量越多時(shí)，拉伸強(qiáng)度越大。但是隨著環(huán)氧樹(shù)脂加入量的增加，體系中剛性鏈段增加，柔性鏈段減少，使得IPN體系的斷裂伸長(zhǎng)率一直呈下降趨勢(shì)，這是由于IPN體系固化后，產(chǎn)生了微觀相分離，當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂含量較少時(shí)，體系中環(huán)氧樹(shù)脂以分散相分散在聚氨酯的連續(xù)相中，總體上表現(xiàn)出聚氨酯的性質(zhì)，當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂的含量持續(xù)提高后，體系中聚氨酯連續(xù)相被破壞，逐漸有表現(xiàn)環(huán)氧樹(shù)脂性能的趨勢(shì)，使得斷裂伸長(zhǎng)率下降。