核电汽轮机磨削专用砂轮及其制造方法
【专利摘要】核电汽轮机磨削专用砂轮及其制造方法属于磨削、抛光或刃磨用的工具【技术领域】，更具体地说，涉及一种核电汽轮机磨削专用砂轮及其制造方法。本发明提供一种针对于核电汽轮机所用钢材的专用砂轮，及其制造方法；该砂轮具有磨削效率高、使用寿命长、提高工作效率、减少劳动强度和劳动力、降低污染和对人体伤害的核电汽轮机磨削的特点。本发明的核电汽轮机磨削专用砂轮是由磨料、结合剂和填料组成；所述的填料采用烧结刚玉（75A）和锆刚玉（ZA），所述的结合剂采用液体酚醛树脂和粉状酚醛树脂，所述的填料为偶联剂（KH550）、硫化铁（Pyrox325）、氟晶云母、立德粉和轻质氧化镁。
【专利说明】核电汽轮机磨削专用砂轮及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于磨削、抛光或刃磨用的工具【技术领域】，更具体地说，是涉及一种核电汽轮机磨削专用砂轮及其制造方法。
【背景技术】
[0002]核电汽轮机所用的钢材主要为0Crl3Ni4Mo钢。0Crl3Ni4Mo钢属于不锈钢类，常见的不锈钢分为奥氏体、马氏体、铁素体和奥氏体-铁素体双相不锈钢。不锈钢具有较好的强度、较高的耐磨性、优越的防腐性能，以及不易生锈等优良的特性，因此广泛应用于各个行业。但由于不锈钢材料具有韧性大、热强度高、导热系数低、加工硬化严重、散热困难等诸多特性，如不能正确认识不锈钢材料，不但加工困难，而且在加工表面将会产生很多缺陷，如打磨后容易出现铁锈、黄斑、划痕、毛刺、热回火等现象。0Crl3Ni4Mo钢还属于合金工具钢类的特种钢，硬度和韧性较高，在磨削时，一般砂轮难以满足加工需求。
[0003]根据实际经验得出结果:棕刚玉砂轮磨削效率慢，打磨时对工件的烧伤较大，消耗较快；白刚玉砂轮较棕刚玉的烧伤现象较轻，单晶刚玉砂轮比前两者稍好。一般砂轮的硬度与打磨相对应的钢材都有一个临界点，当砂轮硬度超过这个临界点，砂轮就会变得磨削效率慢，而且对工件会产生烧伤。以上三种砂轮都会出现这种情况，而且如果低于临界点，砂轮的耐用度就差。当工件被烧伤后，工件的表面、硬度和应力都会发生变化，这些都会影响工件的硬度、强度和美观。
[0004]然而，对于一般磨削来说，上述三种砂轮基本可以满足磨削作业的需求。但核电汽轮机生产时，打磨作业环境比较狭小封闭，而且作业强度高，需要砂轮的磨削性能非常高，尽量减少更换砂轮的时间和次数；所以，上述三种砂轮均不适合。
【发明内容】
[0005]本发明就是针对上述问题，弥补现有`技术的不足，提供一种针对于核电汽轮机所用钢材的专用砂轮，及其制造方法；该砂轮具有磨削效率高、使用寿命长、提高工作效率、减少劳动强度和劳动力、降低污染和对人体伤害的核电汽轮机磨削的特点。
[0006]为实现本发明的上述目的，本发明采用如下技术方案。
[0007]本发明的核电汽轮机磨削专用砂轮是由磨料、结合剂和填料组成；所述的填料采用烧结刚玉(75A)和锆刚玉(ZA)，所述的结合剂采用液体酚醛树脂和粉状酚醛树脂，所述的填料为偶联剂(KH550 )、硫化铁(Pyrox325 )、氟晶云母、立德粉和轻质氧化镁。
[0008]烧结刚玉是一种重结晶微晶结构的新型磨料。以F24#磨料为例，普通磨料单颗粒的晶体数量为3~16个，而烧结刚玉可达到几百个。烧结刚玉是一种易消耗的磨料，但由于它是微晶结构；所以，耐用度反而是普通磨料的10-20倍，而且磨削时通过晶体的消耗可以减少很多热量产生。此外，烧结刚玉的单颗粒强度比普通刚玉高出10倍以上。
[0009]锆刚玉的是大型钢厂用于磨削特种钢钢坯砂轮较常用的一种磨料。硬度和单颗粒强度比烧结刚玉还要高出20%~30%，而且磨削过程中消耗较小，去除率较高，但散热性能较烧结刚玉差一点。
[0010]根据实践经验，特殊钢用砂轮常使用于重视表面磨削粗糙的不锈钢的磨削。可是近年来由于不锈钢种类的变化，使得砂轮产品往往难以把握。故此，本发明打破了传统砂轮的理念，就是将破碎性不同的磨料混合作为砂轮组成的配合成分，即在核电专用砂轮中，选用易消耗、散热性能好的烧结刚玉在磨削中可以形成锋利度较好的切削刃，而把相对较难破碎的锆刚玉用于担当“骨架”以及使磨削表面平滑的作用。这样的搭配既避免了工件烧伤，又能大大的提高砂轮的磨削效率。
[0011]对于0Crl3Ni4Mo钢来说，两种磨料搭配的常用重量比例为75A:ZA = 6:4，有时根据核电汽轮机某些部件钢材发生的变化可以在6:4~4:6之间调整。每种磨料均选取两种粒度，而粒度一般选择为F24#和F30#，每种磨料两种粒度的常用重量比例在7:3^3:7之间做出调整。
[0012]结合剂是砂轮的关键组成之一，其功能是将磨料颗粒接固成一体形成砂轮，以帮助其实现磨削功能。目前，大多数树脂砂轮选用的结合剂为酚醛树脂。然而，烧结刚玉和锆刚玉都属于高韧性、高硬度的磨料，需要有结合强度高、把持能力强的的酚醛树脂作为结合剂，目前国内部分酚醛树脂可以基本满足需求。但是由于砂轮在磨削时产生的热量较高，可达到60(T80(TC，而一般酚醛树脂的炭化温度在240°C左右，当酚醛树脂炭化后大大的削弱了对磨料的把持力，而且其他的填料也随着树脂的炭化在高温下燃烧，产生有害气体。所以，核电砂轮选择综合性能更好的经过特殊性能改良的树脂，即液体酚醛树脂和粉状酚醛树脂。
[0013]所述液体酚醛树脂的PH值为6~7，固体含量78%~80%，凝胶时间90~100分钟，水溶解度1:2，游离醛≤0.5% (质量百分比);粉状酚醛树脂流动度15~25mm，乌洛托品9%_14%(±0.5%)(质量百分比)，游离酚<2.5%，溶化带(即粉状酚醛树脂由固态变为液态的温度带)100°C ~110°C。液体酚醛树脂和粉状酚醛树脂的重量比例为3:7。
[0014]这种混合树脂在磨削时产生的内应力较一般树脂要小许多，结合性和把持能力较强，耐高温性能突出，炭化温度为500°C左右，而且结合强度较一般树脂要高出许多。经回转试验表明:一般酚醛树脂制作成砂轮后的回转强度可达到80m/iT90m/S，而改良后的树脂可达到100m/iTl20m/S。所以改良后的树脂不仅提高了砂轮的使用寿命还增加了砂轮的回转强度，提高砂轮的安全性。在本发明的核电汽轮机磨削专用砂轮中，结合剂的加入量一般是磨料总质量的25%~28%之间。如果超过了这个范围，砂轮就会变硬，反而不利于磨削。
[0015]一般砂轮的填料为黄铁矿、冰晶石和轻质碳酸钙等。为了突出磨料和结合剂的优越性和提高砂轮的磨削性能，与之匹配地，本发明的砂轮必须选用高性能的填料。
[0016]在混料过程中首先加入的填料是ΚΗ550偶联剂。ΚΗ550偶联剂是一种表面活性剂，可以提高磨料的清洁度和表面活性，让树脂与磨料充分的粘接，同时通过偶联剂的偶联作用增加树脂的分子量，进一步的提高树脂对磨料的把持力。偶联剂虽有如此作用，但加入量一般不超过磨料总质量的0.2%，否则与液体酚醛树脂结合后迅速变硬，不利于混料。
[0017]Pyrox325是一种高纯度硫化铁，普通硫化铁的含量为30%~42%，而Pyrox325的硫化铁含量可达到90%以上；其作用主要是利用硫化铁中的硫含量与钢材磨削时发生反应，提高砂轮的磨削效率，降低高温磨耗，稳定砂轮工作效率，提高砂轮高温性能，改善高温衰退性能等；加入量为磨料总质量的3%~12%。 除此之外，填料里面放弃了树脂砂轮常用填料中的冰晶石，而选用了耐高温性能更好的氟晶云母，而且氟的阴电性有助于磨削点上的界面化学反应，能够提高磨削性能。并且冰晶石的熔点较低，通常在500°C，而氟晶云母可达到1100°C。经验证，将氟晶云母加入到酚醛树脂里面可提高本发明砂轮的耐热性、耐水性、耐磨性和机械强度等特性，而且可大幅度提高砂轮的磨削性能。在本发明的砂轮中，氟晶云母的加入量为磨料总质量的10%~?6%。
[0018]以及，在填料中加入立德粉可以使成型料变得松散，以便于成型；同时立德粉是硫化锌和硫酸钡的混合物，能够提高砂轮的磨削性能。其加入量为磨料总质量的3%飞％。
[0019]由于在砂轮中加入的填料量较大，所以轻质氧化镁可以帮助缩短砂轮硬化时间，让树脂在反应温度点充分地反应，并减少在硬化过程中填料的挥发物的排放。其加入量为磨料总质量的3%~5%。
[0020]本发明核电汽轮机磨削专用砂轮的制造方法如下。
[0021]1、混料(各原料加入量按本申请前述比例执行):采用双锅逆流混料锅(250kg双锅逆流混料锅，意大利蒙利迈普公司制造)将烧结刚玉(75A)和锆刚玉(ZA)以质量比6:41:6放入混料I锅中，搅拌1-2分钟，使磨料混合均匀；然后，加入偶联剂再搅拌I分钟，使其与磨料混合均匀，润湿磨料表面；再加入液体酚醛树脂搅拌3~4分钟，使其与磨料充分的混合均匀(以溶解和粘附粉状酚醛树脂和其他填料)；最后，加入Pyrox325搅拌1-2分钟(因为Pyrox325的比重比粉状酚醛树脂和其他填料大，所以要先于它们加入，否则就会与其他填料分离，不能充分的粘附在磨料表面)。
[0022]将粉状酚醛树脂和其他填料，氟晶云母、轻质氧化镁和立德粉，一并倒入混料II锅中，搅拌；将混料I锅中的混合料翻转倒入混料II锅中，搅拌51分钟(在搅拌过程中应注意观察成型料的状态，直至混料完毕)，制成成型料(对成型料的要求:包裹均匀、不漏粉、干湿度适中、不得结块，有一定的松散性，便于摊料；具有良好的成型性能，保证砂轮坯体有足够的强度)；待成型料混好后从混料II锅中倒出，分装在70_高的料盘中，放置1.5^2小时后，用筛料机将成型料筛至松散(14目)，装盘以备成型步骤使用。
[0023]2、成型:采用成型设备550T全自动数控砂轮压机(意大利蒙利迈普公司制造)，将成型料投入到模具内分布均匀后，将成型工艺所规定的砂轮的厚度、摊料次数及料层输入电脑，用550T全自动数控砂轮压机压制成型料而得到具有一定密度、一定形状和尺寸的坯体。
[0024]树脂砂轮成型是将给定的成型料通过一定的方法使它成为具有一定形状，一定强度的砂轮坯体。本发明采用的成型方法为模压法成型，其原理是将一定份量的成型料投入到模具内分布均匀后，用压力机压制成型料而得到具有一定密度、一定形状和尺寸的坯体。相对于热压来讲，常温模压法可称之为冷压法。现有生产砂轮通常的做法是:将所有原料混合后，需经过油压机压制成型，其成型工艺为半热压工艺，这种工艺特点是油压机吨位小，节省压力，砂轮结合性能好，缺点是砂轮压力小，需要靠压制过程中升温来弥补压力不足，坯体强度低，砂轮气孔率小，不利于砂轮磨削过程中的散热。而本发明采用的冷压法主要特点:1、生产效率高；2、坯体的成型密度组织结构较容易控制；3、坯体尺寸稳定精准；4、坯体强度较高。冷压工艺为常温高压力压制以保证砂轮的结合强度和气孔率，对压力的控制要求非常精准以达到砂轮所需求的标准密度。冷压工艺对原材料的性能要求非常高，以保证摊料的均匀性，投料和摊料方式为容积式投料平行摊料，由于对原材料的要求很高，所以产品质量的稳定性可以得到很好的保障。本发明油压机选用的是意大利蒙利迈普公司的550T全自动砂轮数控自动压机，而国内的砂轮压机一般为环形式循环，摊料方式为单个工位依次投料，需要4飞人操作，550T全自动数控砂轮压机的压制方式为双面推进式，摊料时可以9个工位同时摊料，只需两个人操作，单面工作效率可以等于一台国内砂轮压机的工作效率，所以550T全自动数控砂轮压机的工作效率是国内压机的8~12倍。
[0025]3、硬化:将步骤2中得到的坯体放入3m3热风硬化炉内(意大利蒙利迈普公司制造)，并在现有热风硬化炉的基础上增设了强制排风装置(其作用是:排除砂轮在硬化反应过程中产生的气体，使炉内气氛更好，提升树脂的结合性能，改善砂轮的外观)。
[0026]本发明的砂轮成型压制之后，需要一个高温硬化的过程。根据本发明两种酚醛树脂的特点，需要特别设定硬化升温曲线，而且在升温过程中需要有固定的保温时间和气体及挥发物的排放时间。为了让酚醛树脂在硬化过程中充分的反应，需要在热风硬化炉的控制系统中特别加装了强制排风装置
热风硬化炉内的温度升温过程如下，从常温至60°C，过程为2小时。从60°C ^SO0C需要2小时，并用强制排风装置在80°C时排除湿气(排气时间5分钟)。从8(Tl00°C需要3小时，在100°C时排除蒸汽(排汽时间8分钟)。从100°C~110°C需要2小时(在100°C~110°C时是粉状酚醛树脂的溶化带，在这个温度区间应给与充分的时间，使酚醛树脂充分溶化，以便于下一步的化学反应)。从110°C ~135°C需要3小时，这个温度区间是树脂与乌洛托品反应的区间，开始发生交联反应和聚合反应，所以在135°C的时候需要排除反应时产生的气体及未完全反应的游离物质(排气时间5分钟)。从135-150°C需要2小时，在150°C的时候，需要再一次排除残余挥发物及气体(排气时间5分钟)。从15(Tl90°C需要3小时，并在190°C保持6小时，让树脂完全固化，以充分保证砂轮不变形。190°C~80°C需要10小时。这是一个降温过程，降温速度不宜太快，否则在树脂容易产生应力及微裂纹，影响树脂的结合性能。最后由80°C降至常温，进入到下一步骤。
[0027]4、检验包装。
`[0028]与现有技术相比本发明的有益效果。
[0029]基于核电汽轮机所用钢材的特殊要求，主要针对0Crl3Ni4Mo钢材打磨选择相对应的本发明的磨料、结合剂和填料，并根据所选择的结合剂和填料的特点制定特殊的硬化工艺。经试验结果表明:核电磨削专用砂轮的磨削效率是普通砂轮的61倍，耐用度是普通砂轮的1.2~1.8倍。由于选用高强度的改良树脂材料，对砂轮强度有大幅度提高，大大增加了安全性，而且减少了在磨削过程中有害气体的排放。
【具体实施方式】
[0030]实施例1:本发明的核电汽轮机磨削专用砂轮的填料烧结刚玉(75A)和锆刚玉(ZA)的相对重量比例为5:5、F24#和F30#的比例为7: 3，结合剂的液体酚醛树脂和粉状酚醛树脂的相对重量比例为3:7、加入量为两种磨料总重量的25%，填料偶联剂(KH550)的加入量为两种磨料总重量的0.2%、硫化铁(Pyrox325)的加入量为两种磨料总重量的7%、氟晶云母的加入量为两种磨料总重量的16%、立德粉的加入量为两种磨料总重量的5%和轻质氧化镁的加入量为两种磨料总重量的4%。
[0031]实施例2:本发明的核电汽轮机磨削专用砂轮的填料烧结刚玉(75A)和锆刚玉(ZA)的相对重量比例为4:6、F24#和F30#的比例为3:7，结合剂的液体酚醛树脂和粉状酚醛树脂的相对重量比例为3:7、加入量为两种磨料总重量的27%，填料偶联剂(KH550)的加入量为两种磨料总重量的0.15%、硫化铁(Pyrox325)的加入量为两种磨料总重量的12%、氟晶云母的加入量为两种磨料总重量的13%、立德粉的加入量为两种磨料总重量的3%和轻质氧化镁的加入量为两种磨料总重量的5%。
[0032]实施例3:本发明的核电汽轮机磨削专用砂轮的填料烧结刚玉(75A)和锆刚玉(ZA)的相对重量比例为6:4、F24#和F30#的比例为5: 5，结合剂的液体酚醛树脂和粉状酚醛树脂的相对重量比例为3:7、加入量为两种磨料总重量的28%，填料偶联剂(KH550)的加入量为两种磨料总重量的0.2%、硫化铁(Pyrox325)的加入量为两种磨料总重量的3%、氟晶云母的加入量为两种磨料总重量的10%、立德粉的加入量为两种磨料总重量的6%和轻质氧化镁的加入量为两种磨料总重量的3%。
[0033]对比实验:为了验证本发明砂轮的性能，特别与沈阳一蒙砂轮有限公司生产的型号为:27-150X6X22.23，A F24R 5BF 80m/s普通砂轮进行了对比试验。试验主要从两个方面来进行:一是回转强度试验；二是磨削试验。磨削试验主要是从砂轮的磨削效率和耐用度两个方面进行比较。
[0034]砂轮试验机:博世150型角磨机。钢材材质:不锈钢中板。试验时间:15分钟，5次。
[0035]经试验结果表明:普通砂轮的回转强度为85m/s，本发明砂轮为100m/S。普通砂轮的磨削比(磨削比是砂轮消耗的重量与钢材消耗的重量的比值)值为:1:6.3，本发明砂轮的磨削比值为1:47.32。
[0036]试验后，普通砂轮的剩余直径为114_，核电专用砂轮剩余直径为137_。
[0037]在磨削试验过程中，普通砂轮前3分钟砂轮消耗均匀，钢材烧伤现象不明显，但有烟雾产生，而且刺鼻难闻。从第4分钟到试验结束，砂轮明显消耗逐渐快，有大量烟雾产生，钢材表面有大面积烧伤，颜色有蓝色逐渐变黑。本发明砂轮在整个磨削过程中只有极少量的烟雾产生，而且没有刺鼻难闻的感觉，砂轮消耗均匀，磨削感觉顺畅，如果对砂轮施加压力的话，感觉砂轮磨削能力明显提高，在对砂轮进一步施加压力的时候，钢材表面有局部点状烧伤。
【权利要求】
1.核电汽轮机磨削专用砂轮，其特征在于:包括磨料、结合剂和填料；所述的填料采用烧结刚玉和锆刚玉，所述的结合剂采用液体酚醛树脂和粉状酚醛树脂，所述的填料为偶联剂、硫化铁、氟晶云母、立德粉和轻质氧化镁。
2.根据权利要求1所述的核电汽轮机磨削专用砂轮，其特征在于:烧结刚玉(75A)和锆刚玉(ZA)的比例为75A:ZA = 6:4，每种磨料均选取两种粒度，而粒度一般选择为F24#和F30#，每种磨料两种粒度的比例为7:3^3:7 ;液体酚醛树脂和粉状酚醛树脂的重量比例为3:7，偶联剂(KH550)的加入量一般不超过磨料总量的0.2%，硫化铁(Pyrox325)的加入量为磨料总量的3%~12%，氟晶云母的加入量为磨料总量的10%~16%，立德粉的加入量为磨料总量的3%~6%，轻质氧化镁的加入量为磨料总量的3%~5%。
3.根据权利要求1所述的核电汽轮机磨削专用砂轮，其特征在于:烧结刚玉和锆刚玉的相对重量比例为5:5、F24#和F30#的比例为7:3，结合剂的液体酚醛树脂和粉状酚醛树脂的相对重量比例为3:7、加入量为两种磨料总重量的25%，填料偶联剂的加入量为两种磨料总重量的0.2%、硫化铁的加入量为两种磨料总重量的7%、氟晶云母的加入量为两种磨料总重量的16%、立德粉的加入量为两种磨料总重量的5%和轻质氧化镁的加入量为两种磨料总重量的4%。
4.根据权利要求1所述的核电汽轮机磨削专用砂轮，其特征在于:烧结刚玉和锆刚玉的相对重量比例为4:6、F24#和F30#的比例为3:7，结合剂的液体酚醛树脂和粉状酚醛树脂的相对重量比例为3:7、加入量为两种磨料总重量的27%，填料偶联剂的加入量为两种磨料总重量的0.15%、硫化铁的加入量为两种磨料总重量的12%、氟晶云母的加入量为两种磨料总重量的13%、立德粉 的加入量为两种磨料总重量的3%和轻质氧化镁的加入量为两种磨料总重量的5%。
5.根据权利要求1所述的核电汽轮机磨削专用砂轮，其特征在于:烧结刚玉和锆刚玉的相对重量比例为6:4、F24#和F30#的比例为5:5，结合剂的液体酚醛树脂和粉状酚醛树脂的相对重量比例为3:7、加入量为两种磨料总重量的28%，填料偶联剂的加入量为两种磨料总重量的0.2%、硫化铁的加入量为两种磨料总重量的3%、氟晶云母的加入量为两种磨料总重量的10%、立德粉的加入量为两种磨料总重量的6%和轻质氧化镁的加入量为两种磨料总重量的3%。
6.核电汽轮机磨削专用砂轮的制造方法，其特征在于:第一步、混料:采用双锅逆流混料锅将烧结刚玉和锆刚玉以质量比6:41:6放入混料I锅中，搅拌广2分钟，使磨料混合均匀；然后，加入偶联剂再搅拌I分钟，使其与磨料混合均匀，润湿磨料表面；再加入液体酚醛树脂搅拌3~4分钟，使其与磨料充分的混合均匀；最后，加入Pyrox325搅拌f 2分钟； 将粉状酚醛树脂和其他填料，氟晶云母、轻质氧化镁和立德粉，一并倒入混料II锅中，搅拌；将混料I锅中的混合料翻转倒入混料II锅中，搅拌51分钟，制成成型料；待成型料混好后从混料II锅中倒出，分装在70_高的料盘中，放置1.5~2小时后，用筛料机将成型料筛至松散(14目)，装盘以备成型步骤使用； 第二步、成型:采用成型设备550T全自动数控砂轮压机，将成型料投入到模具内分布均匀后，将成型工艺所规定的砂轮的厚度、摊料次数及料层输入电脑，用550T全自动数控砂轮压机压制成型料而得到具有一定密度、一定形状和尺寸的坯体； 第三步、硬化:将步骤2中得到的坯体放入3m3热风硬化炉内，并在现有热风硬化炉的基础上增设了强制排风装置； 热风硬化炉内的温度升温过程如下，从常温至60°C，过程为2小时；从601:~80°C需要2小时，并用强制排风装置在80°C时排除湿气(排气时间5分钟)；从8(Tl00°C需要3小时，在100°C时排除蒸汽(排汽时间8分钟)；从IOO0C~110°C需要2小时；从110°C~135。。需要3小时(排气时间5分钟);从135-150°C需要2小时，在150°C的时候，需要再一次排除残余挥发物及气体(排气时间5分钟)；从15(Tl90°C需要3小时，并在190°C保持6小时；190°C~80°C需要10小时；最后由80°C降至常温，进入到下一步骤； 第四步、检验包装。
【文档编号】B24D3/28GK103551972SQ201310507971
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年10月25日 优先权日:2013年10月25日
【发明者】王鹏 申请人:沈阳一蒙砂轮有限公司