Абразивні матеріали

АБРАЗИВНІ МАТЕРІАЛИ (абразиви) (від лат. Abrasio - зіскоблювання), речовини підвищеної твердості, застосовувані в масивному або здрібненому стані для механічної обробки (шліфування, різання, стирання, заточення, полірування і т. д.) інших матеріалів. Природні абразивні матеріали - кремінь, наждак, пемза, корунд, гранат, алмаз і ін; штучні - електрокорунд, монокорунд, карбід кремнію, боразон, ельбор, синтетичний алмаз і ін

Абразивним може бути будь-який природний або штучний матеріал, зерна якого володіють певними властивостями: твердістю, міцністю і в'язкістю; формою абразивного зерна; зернистістю, абразивною здатністю, механічною і хімічною стійкістю, т. е. здатністю різання та шліфування інших матеріалів. Головною особливістю абразивних матеріалів є їх висока твердість у порівнянні з іншими матеріалами й мінералами. Саме на розходженні у твердості засновані всі процеси шліфування і різання матеріалів.

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

Під абразивною здатністю розуміють можливість одного матеріалу обробляти іншої 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 кількості знімання металу або стекол з поверхні дисків за певний проміжок часу судять про абразивної здатності досліджуваного матеріалу.

Якщо прийняти абразивну здатність алмаза 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, шліфуванні й поліруванні. Механічна стійкість абразивних матеріалів характеризується межею міцності при стисненні, який визначають, розчавлюючи 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 хімічною стійкістю розуміють здатність абразивних матеріалів не змінювати своїх механічних властивостей у 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, шліфуванні й поліруванні. Абразивне зерно - кристалічний осколок (кристаліт), рідше монокристал або агрегат, що складається з безлічі дрібних кристалів (полікристал). 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 мечевидной 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 по лінійних розмірах методом ситового аналізу, осадженням у 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 підрозділяються на чотири групи: шліфзерно, шліфпорошкі, мікропорошки і тонкі мікропорошки. Кожен номер зернистості абразивних матеріалів цих груп характеризується п'ятьма фракціями: граничної, великої, основний, комплексної, і дрібної.

В залежності від номера зернистості застосовують різні методи контролю. Для абразивних матеріалів з 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'язуванням у різні за формою і призначенням абразивні інструменти, або нанесеними на гнучку основу (тканину, папір та ін) у вигляді шліфувальної шкурки, а також в незв'язаному стані в 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 їхньою 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, шорсткувата), крайок 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 зростаючої твердості, де будь-яке подальше твердіше попереднього й може його дряпати (Таблиця).

Порівняльні дані про твердості за різними шкалами

Матеріал Твердість по Моосу по Хрущову 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 В° 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 Р18-4900; сталь ХВГ - 4500; сталь 50-1960.

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

В якості абразивів використовують мінерали природного та 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 ставляться 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 каратів (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 досить високі ріжучі властивості, здатність руйнувати поверхневі шари твердих металів і неметалів. Міцність алмаза на вигин невисока. Одним із суттєвих недоліків алмаза є порівняно низька температурна стійкість. Це означає, що при високих температурах алмаз перетворюється в графіт, таке перетворення починається у звичайних умовах при температурі близькій до 800 В° 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 в 1957г, містить 43,6% бору і 56,4% азоту. Кристалічна решітка КНБ є алмазоподібної, тобто вона має таке ж будову, як і решітка алмаза, але містить атоми бору і азоту. Параметри кристалічної решітки КНБ кілька більші, ніж грати алмаза; сказаним, а також меншою валентністю атомів, що утворюють решітку КНБ, пояснюється його дещо менша твердість у порівнянні з алмазом.

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

На відміну від алмаза, кубічний нітрид бору нейтральний до заліза і не вступає з ним у хімічну взаємодія. Висока твердість, термостійкість і нейтральність до заліза, зробили кубічний нітрид бору досить перспективним надтвердим матеріалом для обробки різних залізовмісних сплавів (легованих сталей і ін) забезпечує різке зниження адгезійного й дифузійного зношування інструмента (У порівнянні з алмазним).

З кубічного нітриду бору приготавливаются шліфпорошкі і мікропорошкі, з яких виготовляють абразивно-доводочні й полірувальні пасти (пасти "Ельбор", пасти "Кубоніта").

Карбід бору являє собою з'єднання бору з вуглецем. Твердість і абразивна здатність зерен карбіду бору нижче твердості алмазів і зерен із КНБ, але вище зерен з електрокорунду і карбіду кремнію. Карбід бору використовується в порошках і пастах для доведення виробів із 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 із присадкою хрому - електрокорунд хромистий, з присадкою титану - електрокорунд тітаністий та ін

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

електрокорунд хромовий має рожеве забарвлення, володіє постійністю фізико-механічних властивостей і високим вмістом монокристалів. Форма зерен переважно ізометрична. При здійсненні остаточної операції замічено, що електрокорунд хромовий помітно поліпшує світловідбивальні здатність оброблених поверхонь.

Електрокорунд тітаністий близький до електрокорунду нормального, але відрізняється від останнього більшою сталістю властивостей. Присадки титану збільшують в'язкість абразивного матеріалу.

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

Карбід кремнію являє собою хімічну з'єднання вуглецю з кремнієм. В 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 по Порівняно з чорним більш крихкий. 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 являє собою гірську породу, складається в основному з кристалічної окису алюмінію. У кращих зразках корунду втримується до 95% окису алюмінію. Колір корунду різний: рожевий, бурий, синій, сірий та ін Корунд більше в'язок і менш тендітний, ніж наждак, і володіє більшою твердістю. Корунд широко застосовують у вигляді порошків і мікропорошків; він входить до складу абразивних сумішей, використовуваних при доведенні і поліровці, а також чищенню поверхні.

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

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

Окис алюмінію (глинозем) являє собою порошок білого кольору, отриманий прожарюванням окису алюмінію з домішкою інших речовин. Розмелений, промитий і добре відшліфований порошок просушують. Окис алюмінію у вигляді порошків іде для готування 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 поліруючим технологічним матеріалом, використовується при поліруванні оптичних стекол і благородних металів.

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

трепел складається в основному з кремнієвої кислоти, часто зустрічається разом з діятимуть 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, збагаченню й обробці.

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

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

Тальк являє собою мінерал вторинного походження із 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 - обсяг зерна, VC обсяг зв'язування, VП - обсяг пор. Визначальним параметром структури є обсяг V3.

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

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

Структура абразивних інструментів

Номер структури

V 3 ,%

45 42 39 36 33 27 24 0 62 0,5 2 3,5 5 8 11 14 1 60 - - - - 1 4 7 10 13 16 2 58 - - - - 3 6 7,5 9 12 15 18 3 56 - - - 2 5 8 11 12,5 14 17 20 4 54 - - 1 4 7 10 13 16 19 22 5 52 - 1,5 3 6 9 12 15 19,5 21 24 6 50 2 5 8 11 14 17 23 26 7 48 4 5,5 7 10 13 16 17,5 19 22 25 28 8 6 9 12 15 18 21 24 27 30 9 44 8 11 14 17 20 23 26 29 32 10 42 10 13 16 19 22 31 34 11 40 12 15 18 21 22,5 24 33 36 12 38 14 17 20 23 26 27,5 29 32 35 38

е на режими, продуктивність і якість обробки. Розрізняють зв'язки неорганічні і органічні. До неорганічних зв'язкам відносяться керамічна, силікатна і магнезіальних (для алмазного інструменту -... металева), до органічних - бакелітова, вулканітова, глифталевая, полівінілформалевій, епоксидна.

Керамічна зв'язка володіє високою вогнетривкістю, водостійкістю, хімічною стійкістю, добре зберігає профіль робочої крайки, кола, але чутлива до ударних і згинальним навантаженням. Застосовують що плавляться і спекающиеся керамічні зв'язки. Абразивний інструмент із електрокорунду виготовляють на плавящихся зв'язках, а з карбіду кремнію - на спікливих. Шліфувальні круги з електрокорунду більше міцні, ніж з карбіду кремнію.

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

Абразивний інструмент на бакелітовій зв'язці володіє більш високими міцністю (на стиск і вигин) і пружністю, чим 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 охолоджувальних рідин, що містять лужні розчини. Для підвищення цієї стійкості кола покривають лаком, суриком або який-небудь водонепроникною фарбою, іноді просочують парафіном. При шліфуванні кругами на бакелітовій зв'язці охолоджуюча рідина повинна містити не більше 1,5% луги.

Кола на бакелітовій зв'язці володіють меншою кромкостойкостью, ніж на керамічній. Бакелітова зв'язка має більше слабке, чим 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, вигорає при нагріванні до 250 - 300 В° С, а при 200 В° С і вище вона набуває крихкість. Абразивний інструмент на бакелітовій зв'язці частіше виготовляють із електрокорунду нормального й карбіду кремнію чорного.

Основою вулканітовій зв'язки є термічно оброблена суміш каучуку із сіркою, тому інструмент на такій зв'язці, що придбає 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'язках з порівнянні з керамічною значно гірше втримує абразивні зерна, що компенсується підвищенням її кількості за рахунок зменшення пор ( 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 В° С) призводить до розм'якшення й вигоряння зв'язки при інтенсивному різанні. Абразивні зерна заглиблюються в еластичну в'язку і ріжуть на меншій глибині подібно більше дрібнозернистому інструменту, забезпечуючи найменшу шорсткість поверхні. Ці особливості вулканітовій зв'язки ефективно використовуються при чистовій обробці фасонних поверхонь.

Найбільш часто вживані зв'язування й області їхнього застосування зазначені в табл. 1.6 .

Внаслідок розширюються 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, відповідають стандарту США ANSI В 74.13-1972.

Абразивний матеріал позначають буквами:

електрокорунд - A;

ельбор - B;

карбід кремнію (SiC) - С;

алмаз - D.

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

Чотири ступені 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, позначається 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 й більше 16).

Дев'ять видів зв'язувань позначають наступним чином:

B - бакелітова;

BF - бакелітова з посиленням;

E - шеллаковая;

M - металева;

O - магнезіальних;

R - вулканітовій;

RF - вулканітовій з посиленням;

S - силікатна;

V - керамічна.

В якості прикладу можна привести наступну маркування шліфувального круга: 51A36L5V23 (останні цифри є фірмовим елементом маркування, який може опускатися).

Література

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

Корчак С.Н. Прогресивна технологія й 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.

попив Л.Я. Полірування. Довідкова книга по обробним операціям в машинобудуванні. - Л., 1966.

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

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