Абразивні матеріали

Абразія ВНИЕ МАТЕРІ ли (абразиви) (від лат. Abrasio - зіскоблювання), речовини підвищеної твердості, вживані в масивному або подрібненому стані для механічної обробки (шліфування, різання, стирання, заточування, полірування і т. д.) інших матеріалів. Природничі абразивні матеріали - кремінь, наждак, пемза, корунд, гранат, алмаз та ін; штучні - електрокорунд, монокорунд, карбід кремнію, боразон, ельбор, синтетичний алмаз та ін

Абразивним може бути будь-який природний або штучний матеріал, зерна якого мають певні властивості: твердістю, міцністю і в'язкістю; формою абразивного зерна; зернистістю, абразивної здатністю, механічної та хімічної стійкістю, тобто здатністю різання і шліфування інших матеріалів. Головною особливістю абразивних матеріалів є їх висока твердість у порівнянні з іншими матеріалами і мінералами. Саме на відмінності у твердості засновані всі процеси шліфування та різання матеріалів.

Твердість абразивних матеріалів визначають або за шкалою Мооса, або методом вдавлювання алмазної піраміди в поверхню досліджуваного матеріалу.

Під абразивної здатністю розуміють можливість одного матеріалу обробляти інший або групу різних матеріалів. Абразивна здатність характеризується масою знімається при шліфуванні матеріалу до затуплення зерен, або визначається кількістю сошлифовать за певний час матеріалу. Для визначення абразивної здатності досліджуваний матеріал поміщають між двома металевими або скляними дисками, які обертаються в протилежних напрямках. За кількістю знімання металу чи скла з поверхні дисків за певний проміжок часу судять про абразивної здатності досліджуваного матеріалу.

Якщо прийняти абразивну здатність алмазу за одиницю, абразивна здатність карбіду бору - 0,6, карбіду кремнію - 0,5. За абразивної здатності абразивні матеріали розташовуються в наступному порядку: алмаз, кубічний нітрид бору (боразон), карбід кремнію, монокорунд, електрокорунд, наждак, кремінь. Абразивна здатність залежить від виду шліфованих матеріалів, режиму роботи, в'язкості і міцності зерен. Чим менше в абразивному матеріалі домішок, тим вище його абразивна здатність.

Під механічною стійкістю розуміють здатність абразивного матеріалу витримувати механічні навантаження і не руйнуватися при різанні, шліфування і полірування. Механічна стійкість абразивних матеріалів характеризується межею міцності при стисненні, який визначають, роздавлюючи зерно абразивного матеріалу і фіксуючи навантаження в момент його руйнування. При підвищенні температури межа міцності абразивних матеріалів знижується, тому в процесі шліфування необхідно контролювати температуру.

Під хімічної стійкістю розуміють здатність абразивних матеріалів не змінювати своїх механічних властивостей в розчинах лугів, кислот, а також у воді і органічних розчинниках. Абразивні матеріали часто використовують у вигляді суспензій мікропорошків певної зернистості в різних розчинах.

Розмір зерен абразивних матеріалів робить істотний вплив на глибину залягання механічно порушеного шару на поверхні матеріалу при різанні, шліфування і полірування. Абразивне зерно - кристалічний уламок (кристаліт), рідше монокристал або агрегат, що складається з безлічі дрібних кристалів (полікристали). Ріжуча кромка зерна - ребро, утворене будь-якою парою пересічних кристалографічних площин. Зерно може мати приблизно рівні розміри по висоті, ширині і товщині (ізометрична форма) або володіти мечовидної і пластинчастої формою, що визначається родом абразивного матеріалу і ступенем подрібнення вихідного зерна. Раціональна ізометрична або близька до неї форма зерна, тому що кожне зерно є різцем. Найменш вигідна форма - голчаста. За розміром і однорідності зерен абразивні матеріали повинні бути однорідними. Зернистість абразивних матеріалів визначається класифікацією зерен за лінійними розмірами методом ситового аналізу, осадженням в рідині або ін Зернистість абразивного матеріалу регламентується стандартом. Номер зернистості встановлюється відповідно до лінійними розмірами зерна основної фракції. Чим однорідніше за формою і розміром зерен абразивний матеріал, тим вище його експлуатаційні якості. Абразивні матеріали відрізняються між собою розміром (крупністю) зерен і поділяються на чотири групи: шліфзерна, шліфпорошків, мікропорошки і тонкі мікропорошки. Кожен номер зернистості абразивних матеріалів цих груп характеризується п'ятьма фракціями: граничної, великої, основний, комплексної, і дрібної.

У залежності від номера зернистості застосовують різні методи контролю. Для абразивних матеріалів із зернистістю від номера 200 до 5, як правило, використовують ситової, а для абразивних мікропорошків із зернистістю від М40 до М5 - мікроскопічний аналіз.

Абразивні матеріали широко застосовуються при механічній обробці. Абразивні матеріали використовуються у вигляді зерен, скріплених зв'язкою в різні за формою і призначенням абразивні інструменти, або нанесеними на гнучку основу (тканина, папір тощо) у вигляді шліфувальної шкурки, а також у незв'язаному стані у вигляді порошків, паст і суспензій.

Основні характеристики твердих складових абразивно-полірувальних матеріалів

Основними характеристиками абразивного матеріалу є форма абразивних зерен, їх крупність, твердість і механічна міцність, абразивна здатність, мінеральний і гранулометричний склади.

Форма абразивних зерен визначається природою абразивного матеріалу, характеризується їх довжиною, висотою і шириною. Абразивні зерна можна звести до наступних видів: ізометричні, пластинчасті, мечоподібні. Для оздоблювальних робіт перевага віддається ізометричний формі зерен.

Абразивні зерна характеризуються станом поверхні (гладка, шорстка), країв і виступів (гострі, закруглені, прямолінійні, зазубрені та ін.) Зерно з гострими кутами значно легше проникає в оброблюваний матеріал. Зерна - зростки, нещільні за структурою, витримують менші зусилля різання і швидше руйнуються.

Для визначення твердості встановлені шкали, в яких певні матеріали розташовані в порядку зростання твердості, де будь-яке подальше твердіше попереднього і може його дряпати (таблиця).

Порівняльні дані про твердість за різними шкалами

Матеріал	Твердість
	за Моосом	за Хрущовим М. М., Беркович Є. С.
Тальк	1	2,4
Гіпс	2	36
Кальцит	3	109
Флюорит	4	189
Апатит	5	536
Ортоклаз	6	795
Кварц	7	1120
Топаз	8	1427
Корунд	9	2060
Алмаз	10	10060

Алмаз і кубічний нітрид бору володіють найбільшою твердістю. Нижче наведена середня мікротвердість алмазу, кубічного нітриду бору, а також інструментальних і конструкційних матеріалів (у МН/м2 при 20 ° С): алмаз - 98 000; кубічний нітрид бору - 91 000; карбід бору - 39 000; карбід кремнію - 29 000 ; електрокорунд - 19 800; твердий сплав ВК8-17500; сплав ЦМ332 - 12 000; сталь Р18-4 900; сталь ХВГ - 4500; сталь 50-1960.

З підвищенням температури твердість матеріалів знижується. Так наприклад, при нагріванні електрокорунду від 20 до 1000 ° С його мікротвердість знижується від 19 800 до 5880 МН/м2

Як абразивів використовують мінерали природного і штучного походження: алмази; кубічний нітрид бору, що зустрічається під назвами ельбор, Куба, боразон, карбід бору і карбід кремнію; електрокорунду білий, нормальний і легований хромом і титаном і ін Умовно відносяться до цієї групи "м'які "абразивні матеріали: крокус, окис хрому, діатоміт, трепел, віденська вапно, тальк і ін У виробничій практиці гідрополірованія в якості абразиву використовують вібротела - відходи цегли, скляної та керамічної промисловості, кісточки плодових фруктів.

Природний алмаз - мінерал, що складається з одного хімічного елемента - вуглецю. Зустрічається у вигляді невеликих кристалів різної форми від 0,005 до декількох карат (карат дорівнює 0,2 г). Алмази бувають безбарвні або пофарбовані в різні тони: жовті, темно-зелені, сірі, чорні, фіолетові, червоні, блакитні та ін Алмаз є найбільш твердим мінералом.

Висока твердість забезпечує алмазному зерну вельми високі ріжучі властивості, здатність руйнувати поверхневі шари твердих металів і неметалів. Міцність алмазу на вигин невисока. Одним із суттєвих недоліків алмазу є порівняно низька температурна стійкість. Це означає, що при високих температурах алмаз перетворюється на графіт, таке перетворення починається у звичайних умовах при температурі близькій до 800 ° С.

Штучний (синтетичний) алмаз. Синтетичні алмази одержують з графіту при високих тисках і високій температурі. Вони мають ті ж фізичні і хімічні властивості, що й природні алмази.

Кубічний нітрид бору. (КНБ) - надтвердий матеріал, вперше синтезований у 1957, містить 43,6% бору і 56,4% азоту. Кристалічна решітка КНБ є алмазоподібному, тобто вона має таку ж будову, як і грати алмазу, але містить атоми бору й азоту. Параметри кристалічної решітки КНБ дещо більші, ніж грати алмазу; сказаним, а також меншою валентністю атомів, що утворюють грати КНБ, пояснюється його дещо менша твердість у порівнянні з алмазом.

Кристали кубічного нітриду бору мають теплостійкість до 1200 ° С, що є одним з головних достоїнств у порівнянні з алмазом. Ці кристали отримують шляхом синтезу гексагонального нітриду бору при наявності розчинника (каталізатора) у спеціальних контейнерах на гідравлічних пресах, що забезпечують необхідну високий тиск (близько 300-980 МН/м2) і високу температуру (близько 2000 ° С).

На відміну від алмазу, кубічний нітрид бору нейтральний до заліза і не вступає з ним у хімічну взаємодію. Висока твердість, термостійкість і нейтральність до заліза, зробили кубічний нітрид бору вельми перспективним надтвердим матеріалом для обробки різних залізовмісних сплавів (легованих сталей і ін) забезпечує різке зниження адгезійного і дифузійного зносу інструменту (в порівнянні з алмазним).

З кубічного нітриду бору готуються шліфпорошків і мікропорошки, з яких виготовляють абразивно-доводочні та полірувальні пасти (пасти "ельбор", пасти "Кубоніта").

Карбід бору є з'єднання бору з вуглецем. Твердість і абразивна здатність зерен карбіду бору нижче твердості алмазів і зерен з КНБ, але вище зерен з електрокорунду і карбіду кремнію. Карбід бору використовується в порошках і пастах для доведення виробів з твердих матеріалів. Практикою встановлено, що карбід бору, раціонально застосовувати для притирання точних конічних і фасонних поверхонь.

Електрокорунду, куди входять електрокорунд білий, електрокорунд нормальний і електрокорунд з присадкою хрому - електрокорунд хромистий, з присадкою титану - електрокорунд титанових та ін

Завдяки високій твердості, міцності і гострим краях зерна, електрокорунд білий інтенсивно знімає шар металу з поверхонь загартованих, цементованих і азотованих сталей. Електрокорунд білий використовують для приготування абразивно-доводочних абразивних матеріалів.

Електрокорунд хромистий має рожеве забарвлення, має постійністю фізико-механічних властивостей і високим вмістом монокристалів. Форма зерен переважно ізометрична. При здійсненні остаточної операції відмічено, що електрокорунд хромистий помітно поліпшує світловідбивальними здатність оброблених поверхонь.

Електрокорунд титанових близький до електрокорунду нормального, але відрізняється від останнього великою постійністю властивостей. Присадки титану збільшують в'язкість абразивного матеріалу.

Електрокорунд нормальний - штучний абразивний матеріал, що має високу твердість (нижче алмазів, зерен КНБ і карбіду бору), застосовується при приготуванні полірувальних паст.

Карбід кремнію представляє собою хімічну сполуку вуглецю з кремнієм. У залежності від вмісту домішок, карбід кремнію буває двох марок: зелений, що містить не менше 97% карбіду кремнію, і чорний, в якому карбіду кремнію - 95-97%.

Зелений карбід кремнію в порівнянні з чорним більш крихким. Можливо, що це і визначає перевагу зеленого карбіду кремнію над чорним при обробці твердих і надтвердих матеріалів. Абразивна здатність зеленого карбіду кремнію приблизно на 20% вище, ніж чорного.

Природний корунд представляє собою гірську породу, що складається в основному з кристалічною окису алюмінію. У кращих зразках корунду міститься до 95% окису алюмінію. Колір корунду різний: рожевий, бурий, синій, сірий та ін Корунд більш в'язок і менш крихкий, ніж наждак, і володіє більшою твердістю. Корунд широко застосовують у вигляді порошків і мікропорошків; він входить до складу абразивних сумішей, що використовуються при доведенні і полірування, а також чищенні поверхні.

Наждак представляє собою гірську породу, що містить до 60% кристалічної окису алюмінію (глинозему). Це дрібноокристалічна речовина чорного або чорно-сірого кольору. Внаслідок значного вмісту домішок, по абразивної здатності наждак поступається корунду. Наждак йде на виготовлення абразивно-доводочних матеріалів.

Окис хрому є порошок темно-зеленого кольору. У вигляді порошків використовується для приготування м'яких полірувальних паст, що застосовуються при тонкій обробці сталевих деталей і деталей з кольорових металів і неметалів (наприклад, полірувальна паста ГОИ).

Окис алюмінію (глинозем) являє собою порошок білого кольору, отриманий прокаливанием окису алюмінію з домішкою інших речовин. Розмелений, промитий і добре відшліфований порошок просушують. Окис алюмінію у вигляді порошків йде для приготування тонких паст, використовуваних для обробки сталевих, чавунних деталей, а також деталей із скла і пластмас.

Крокус в основному складається з окису заліза (до 75-97%), є дуже тонким полірувальним технологічним матеріалом, використовується при поліруванні оптичних стекол і благородних металів.

Діатоміт (кизельгур, інфузора земля) дуже легка осадова порода, яка складається головним чином з кремнезему у вигляді частково або повністю збережених скелетів макроскопічних водоростей - діатомей. Хороші сорти диатомитов містять 80% і більше кременевої кислоти, що мають різне забарвлення: білу, сіру, жовтувату, коричневу і зеленувату. Для отримання високоякісного діятимуть його розмелюють, відмочують, сушать і обпалюють.

Трепел складається в основному з кремнієвої кислоти, часто зустрічається разом з діатоміти і вельми схожий з ним, але відрізняється тим, що інтенсивно поглинає вологу. Трепел розрізняють по фарбуванню: золотистий, сріблястий, білий, жовтий, сірий, червоний і т.п. Для отримання високоякісного дрібнозернистого трепелу його, як і діатоміт, піддають перемелювання, збагачення і обробці.

Технічний крейда є порошкоподібний продукт, який отримують з природного вапняку або крейди. Він складається в основному з найдрібніших частинок аморфних вуглекислого кальцію. При хімічному способі крейда отримують осадженням при насиченні вапняного молока вуглекислим газом або змішанням розчинів хлористого кальцію з вуглекислим натрієм. Крейда буває грудкового і мелений, а в залежності від фізико-хімічних властивостей поділяється на три марки (А, Б, В). Мел використовують для приготування полірувальних матеріалів з ​​обробки благородних, а також кольорових металів та їх сплавів.

Віденська вапно складається з окису кальцію з невеликими домішками окису магнію, окису заліза та іншими, готується з добірної вапна і доломіту, очищених від домішок глини і піску. Кількість домішок не повинно перевищувати 5,5%, а вміст вологи і вуглекислоти повинна бути не більше 2%. Для полірування беруть середні верстви прокаленного вапняку, який подрібнюють і просіюють. Окремі м'які шматки використовують для нанесення глянцю. Віденську вапно використовують також як основного твердого становить при приготуванні полірувальних паст. Віденська вапно, що поглинає вологу і вуглекислий газ, перетворюється на пушонку, яка не володіє ніякими поліруючими властивостями. Щоб уникнути цього, віденську вапно упаковують в герметичну тару.

Тальк є мінерал вторинного походження з силікатів магнезії, який зустрічається у вигляді волокнистих агрегатів або шестикутних листочків. Тальк дуже м'який абразив, який застосовується при поліруванні гальванічних покриттів.

Структура абразивного інструменту характеризується співвідношенням обсягів абразивних зерен, зв'язки і пор. Система регулювання структур заснована на збереженні рівності V3 + VС + VП = 100%, де V3 - об'єм зерна, VC обсяг зв'язки, VП - об'єм пор. Визначальним параметром структури є обсяг V3.

Зі збільшенням на один номер структури обсяг зерен зменшується на 2%, відстань між зернами і розмір окремих пір збільшуються, однак для збереження однакової твердості інструмента обсяг зв'язки також збільшується на 2%, при цьому обсяг пір залишається незмінним.

Різні співвідношення обсягів зерна і зв'язки, при дотриманні яких до процесі виробництва отримують абразивні інструменти різної твердості з тим чи іншим обсягом пір, наведені в табл. 1.5.

Структура абразивних інструментів

Таким чином, абразивні інструменти, що мають однакові зернистість і твердість, але різні структури, різняться між собою за ступенем зближення абразивних зерен. Структуру, позначену № 1 ... 4, прийнято називати закритою (щільною), № 4 ... 8 - середньої, № 9 ... 12 і вище (до 16) - відкритою. Чим більше номер структури, тим більше відстань між зернами, тобто структура більш відкрита.

Щільна і відкрита структури інструмента показані на рис. 1.2, в, г.

Інструменти відкритої структури мають поліпшені умови відводу стружки і менше тепловиділення. Найбільш ефективно їх застосування при обробці в'язких металів, а також металів, схильних до прижоги і тріщин. Рекомендовані області застосування інструменту основних номерів структур наступні:

№ 1 ... 3 - виготовлення інструменту на бакелітовій і керамічної зв'язках при шліфуванні з малим зніманням металу, переважно для обробки шарикопідшипників;

№ 3, № 4 - профільне шліфування, шліфування з великими подачами і змінним навантаженням, відрізні роботи;

№ 4 ... 6 - кругле зовнішнє, Безцентрове, плоске шліфування периферією круга;

№ 7 ... 9 - плоске шліфування торцем круга, внутрішнє шліфування, заточування інструменту;

№ 8 ... 10 - шліфування та заточування інструменту, оснащеного твердим сплавом;

№ 8 ... 12 - профільне шліфування дрібнозернистими колами (резьбошліфованіе).

Збільшені розміри пір досягаються добавкою в абразивну масу пороутворюючих речовин, вигоряючими при термічній обробці інструмента (мелене вугілля, пластмасова крихта, тирса). Такий абразивний інструмент називається високопористих. Найбільша його ефективність проявляється при обробці дуже в'язких матеріалів, при сухому (без подачі охолоджуючої рідини) шліфуванні і заточки.

Зв'язка визначає міцність і твердість інструмента, має великий вплив на режими, продуктивність і якість обробки. Розрізняють зв'язки неорганічні і органічні. До неорганічних зв'язкам відносяться керамічна, силікатна і магнезіальних (для алмазного інструмента - металева), до органічних - бакелітова, вулканітовій, глифталевая, поливинилформалевой, епоксидна.

Керамічна зв'язка має високу вогнетривкістю, водостійкістю, хімічної стійкістю, добре зберігає профіль робочої крайки, кола, але чутлива до ударних і ізгібающім навантажень. Застосовують плавляться і спікаються керамічні зв'язки. Абразивний інструмент з електрокорунду виготовляють на плавящихся зв'язках, а з карбіду кремнію - на спікливих. Шліфувальні круги з електрокорунду більш міцні, ніж з карбіду кремнію.

Силікатна і магнезіальних зв'язки, маломіцні і чутливі до охолоджуючих рідин, мають обмежене застосування. Основна їхня перевага-менше виділення теплоти при шліфуванні.

Абразивний інструмент на бакелітовій зв'язці володіє більш високими міцністю (на стиск і вигин) і пружністю, ніж інструмент на керамічній зв'язці. Він може бути виготовлений різних форм і розмірів, у тому числі і дуже тонким - до 0,5 мм для відрізних і прорізних робіт. Недоліком бакелітовій зв'язки є невисока стійкість до впливу охолоджуючих рідин, що містять лужні розчини. Для підвищення цієї стійкості кола покривають лаком, суриком або який-небудь водонепроникною фарбою, іноді просочують парафіном. При шліфуванні колами на бакелітовій зв'язці охолоджуюча рідина повинна містити не більше 1,5% лугу.

Кола на бакелітовій зв'язці мають меншу кромкостойкостью, ніж на керамічній. Бакелітова зв'язка має більш слабке, ніж керамічна, зчеплення з абразивним зерном, тому інструмент на цій зв'язці широко використовують на операціях плоского шліфування, де необхідно самозагострювання кола. Бакелітова зв'язка, що має невисоку теплостійкість, вигоряє при нагріванні до 250 - 300 ° С, а при 200 ° С і вище вона набуває крихкість. Абразивний інструмент на бакелітовій зв'язці частіше виготовляють із електрокорунду нормального та карбіду кремнію чорного.

Основою вулканітовій зв'язки є термічно оброблена суміш каучуку з сіркою, тому інструмент на такій зв'язці, який отримує властивість еластичності, використовується при обробці фасонних поверхонь і профільному шліфуванні. Кола на вулканітовій зв'язці працюють на швидкостях до 60 м / с і можуть бути виготовлені товщиною 0,3 ... 0,5 мм для відрізних робіт.

Вулканітовій зв'язка у порівнянні з керамічною значно гірше утримує абразивні зерна, що компенсується підвищенням її кількості за рахунок зменшення часу (рис. 1.2, д, е). Внаслідок цього інструмент на вулканітовій зв'язці відрізняється щільною структурою, що викликає збільшене тепловиділення при шліфуванні. Низька теплостійкість каучуку (150 ... 180 ° С) призводить до розм'якшення та вигоряння зв'язки при інтенсивному різанні. Абразивні зерна заглиблюються в еластичну зв'язку і ріжуть на меншій глибині подібно більш дрібнозернистому інструменту, забезпечуючи найменшу шорсткість поверхні. Ці особливості вулканітовій зв'язки ефективно використовуються при чистової обробки фасонних поверхонь.

Найбільш часто вживані зв'язки і області їх застосування зазначені в табл. 1.6.

Внаслідок розширення економічних зв'язків із зарубіжними країнами в імпортується абразивний інструмент, що має маркування, що відповідає стандарту країни-експортера. Нижче для прикладу представлені дані по маркуванню абразивного інструменту, що відповідають стандарту США ANSI У 74.13-1972.

Абразивний матеріал позначають літерами:

електрокорунд - A;

ельбор - B;

карбід кремнію (SiC) - С;

алмаз - D.

Перед позначенням може стояти (але не обов'язково) вступний символ виробника, який вказує конкретний вид абразивного матеріалу.

Чотири ступеня зернистості позначають цифрами:

8, 10, 12, 14, 16, 20, 24 - груба;

30, 36, 46, 54, 60 - середня;

70, 80, 90, 100, 120, 150, 180 - тонка;

220, 240, 280, 320, 400, 500, 600 - дуже тонка.

Твердість характеризується 26 ступенями, що позначаються латинськими літерами:

A, B, C, D, E, F, G, H, I, J, K (м'який інструмент);

L, M, N, O, Q, R (інструмент середньої твердості);

S, T, U, V, W, X, Y, Z (твердий інструмент).

Структуру позначають цифрами від 1 до 16. Чим більшою цифрою позначена структура, тим вона більш відкрита (відкрита структура може позначатися цифрами і більше 16).

Дев'ять видів зв'язок позначають таким чином:

B - бакелітова;

BF - бакелітова з посиленням;

E - шелаковим;

M - металева;

O - магнезіальних;

R - вулканітовій;

RF - вулканітовій з посиленням;

S - силікатна;

V - керамічна.

Як приклад можна навести таку маркування шліфувального круга: 51A36L5V23 (останні цифри є фірмовим елементом маркування, який може опускатися).

Література

Кисельов С.П. Полірування металів. - Л., 1967.

Корчак С.М. Прогресивна технологія і автоматизація круглого шліфування. - М., 1968.

Маслов Є.М. Теорія шліфування матеріалів. - М., 1974.

Масловський В.В. Дудко П.Д. Полірування металів і сплавів. - М., 1974.

Попіль Л.Я. Полірування. Довідкова книга з оздоблювальних операцій у машинобудуванні. - Л., 1966.

Редько С.Г. Процеси теплоутворення при шліфуванні металів. - Саратов. 1962.

Хрущов М.М. Бабічев М.А. Абразивне зношування. - М., 1970.