Основні характеристики твердих абразивно-полірувальних матеріалів

Основні характеристики твердих абразивно-полірувальних матеріалів

Абразивні матеріали (абразиви), 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, моно корунд, карбід кремній, боразон, ельбор, синтетичний алмаз і ін.

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

Твердість абразивних матеріалів визначають або по шкалі 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 матеріалу, що знімається при шліфуванні, до затуплення зерен, або визначається кількістю шліфування за певний час матеріалу. Для визначення абразивної здатності досліджуваний матеріал поміщають між двома металевими або скляними дисками, які обертаються в протилежних напрямках. По кількості знімання металу або стекол з поверхні дисків за певний проміжок часу судять про абразивну здатність досліджуваного матеріалу.

Якщо прийняти абразивну здатність алмаза за одиницю, абразивна здатність карбіду бору - 0,6, карбіду кремнію - 0,5. По абразивній здатності абразивні матеріали розташовуються в наступному порядку: алмаз, кубічний нітрид бору (боразон), карбід кремнію, моно корунд, електрокорунд, наждак, кремінь. Абразивна здатність залежить від виду матеріалів, що шліфуються, режиму роботи, в'язкості й міцності зерен. Чим менше в абразивному матеріалі домішок, тим вище його абразивна здатність.

Під механічною стійкістю розуміють здатність абразивного матеріалу витримувати механічні навантаження й не руйнуватися при різанні, шліфуванні й поліруванні. Механічна стійкість абразивних матеріалів характеризується межею міцності при стиску, що визначають, роздавлюючи зерно абразивного матеріалу й 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 й органічних розчинниках. Абразивні матеріали часто використовують у вигляді суспензій мікропорошків певної зернистості в різних розчинах.

Розмір зерен абразивних матеріалів впливає 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 крайка зерна - ребро, утворене будь-якою парою пересічних кристалографічних площин. Зерно може мати приблизно рівні розміри по висоті, ширині й товщині (ізометрична форма) або мати мечоподібну й пластинчасту форму, що визначається родом абразивного матеріалу й ступенем здрібнювання вихідного зерна. Раціональна ізометрична або близька до неї форма зерна, тому що кожне зерно є різцем. Найменш вигідна форма - голчаста. По розмірі й 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 лінійних розмірів зерна основної фракції. Ніж одно рідніше за формою й розміром зерен абразивний матеріал, тим вище його експлуатаційні якості. Абразивні матеріали відрізняються між собою розміром зерен і підрозділяються на чотири групи: шліфзерно, шліфпорошки, мікропорошки й тонкі мікропорошки. Кожний номер зернистості абразивних матеріалів цих груп характеризується п'ятьма фракціями: граничної, великої, основний, комплексної, і дрібної.

Залежно 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'язуванням у різні за формою й призначенням абразивні інструменти, або нанесеними на гнучку основу (тканину, папір і ін.) у вигляді шліфувальної шкурки, а також у незв'язаному стані у вигляді порошків, паст і суспензій.

Основні характеристики твердих абразивно-полірувальних матеріалів

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

Форма абразивних зерен визначається природою абразивного матеріалу, характеризується їхньою довжиною, висотою й шириною. Абразивні зерна можна звести до наступних видів: ізометричні, пластинчасті, мечоподібні. Для опоряджувальних робіт перевага віддається ізометричній формі зерен.

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

Для визначення твердості встановлені шкали, у яких певні матеріали розташовані в порядку зростаючої твердості, де будь-яке наступне твердіше попереднього й може його дряпати (таблиця).

Порівняльні дані про твердість по різних шкалах

Алмаз і кубічний нітрид бору мають найбільшу твердість. Нижче наведена середня мікротвердість алмаза, 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 абразиви використовують мінерали природного й штучного походження: алмази; кубічний нітрид бору, що зустрічається під назвами ельбор, кубаніт, боразон, карбід бору й карбід кремнію; електрокорунди білим, нормальний і легований хромом і титаном і ін. Умовно ставляться до цієї групи "м'які" абразивні матеріали: крокус, окис хрому, діатоміт, трепел, віденське вапно, тальк і ін. У виробничій практиці гідрополірування як абразив використовують вібротела - відходи цегли, скляної й 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 й 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 з істотних недоліків алмаза є порівняно низька температурна стійкість. Це значить, що при високих температурах алмаз перетворюється в графіт, таке перетворення починається у звичайних умовах при температурі близької до 800 °С.

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

Кубічний нітрид бору. (КНБ) - надтвердий матеріал, уперше синтезований в 1957г, містить 43,6% бору й 56,4% азоту. Кристалічні ґрати КНБ є алмазоподібної, тобто вона має таку ж будову, як і ґрати алмаза, але містить атоми бору й азоту. Параметри кристалічних ґрат КНБ трохи більші, ніж ґрати алмаза; сказаним, а також меншою валентністю атомів, що утворять ґрати КНБ, пояснюється його трохи 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 одержують шляхом синтезу гексагонального нітриду бору при наявності розчинника (каталізатора) у спеціальних контейнерах на гідравлічних пресах, що забезпечують необхідний високий тиск (порядку 300-980 МН/м2) і високу температуру (близько 2000 °С).

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

З кубічного нітриду бору виготовляють шліфпорошки й мікропорошки, з яких виготовляють абразивно-доводочні й полірувальні пасти (пасти "Ельбора", 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 електрокорунда й 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.

Електрокорунди, куди входять нлектрокорунд білий, електрокорунд нормальний і електрокорунд із присадкою хрому - електрокорунд хромистий, із присадкою титану - електрокорунд титанистий і ін.

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

Електрокорунд хромистий має рожеве фарбування, має сталість фізико-механічних властивостей і високим змістом монокристалів. Форма зерен переважно ізометрична. При здійсненні остаточної операції замічено, що електрокорунд хромистий помітно поліпшує світловідбивну здатність оброблених поверхонь.

Електрокорунд титанистий близький до електрокорунду нормального, але відрізняється від останнього більшою сталістю 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 готуванні полірувальних паст.

Карбід кремнію являє собою хімічну сполуку вуглецю із кремнієм. Залежно від змісту домішок, карбід кремнію буває двох марок: зелений, утримуючий не менш 97% карбіду кремнію, і чорний, у якому карбіду кремнію - 95-97%.

Зелений карбід кремнію в порівнянні із чорним більше тендітний. Можливо, що це й 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, що складається в основному із кристалічного окису алюмінію. У кращих зразках корунду втримується до 95% окису алюмінію. Колір корунду різний: рожевий, бурий, синій, сірий і ін. Корунд більше грузлий і менш тендітний, чим наждак, і має більшу твердість. Корунд широко застосовують у вигляді порошків і мікропорошків; він входить до складу абразивних сумішей, використовуваних при доведенні й поліруванні, а також чищенню поверхні.

Наждак являє собою гірську породу, що містить до 60% кристалічного окису алюмінію (глинозему). Це речовина чорного або чорно-сірого кольору. Внаслідок значного змісту домішок, по абразивній здатності наждак уступає корунду. Наждак іде 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).

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 зі скла й 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, що складається головним чином із кремнезему у вигляді частково або повністю збережених кістяків макроскопічних водоростей - діатомей. Гарні сорти діатомітів містять 80% і більше кремінної кислоти, що мають різне фарбування: білу, сіру, жовтувату, коричневу й зеленувату. Для одержання високоякісного діатоміту його розмелюють, відмочують, сушать і обпалюють.

Трепел складається в основному із кремнієвої кислоти, часто зустрічається разом з діатомітом і досить схожий з ним, але відрізняється тим, що інтенсивно поглинає вологу. Трепел розрізняють по фарбуванню: золотавий, сріблистий, білий, жовтий, сірий, червоний і т.п. Для одержання високоякісного дрібнозернистого трепелу його, як і діатоміт, піддають перемелюванню, збагаченню й обробці.

Технічна крейда являє собою порошкоподібний продукт, що одержують із природного вапняку або мела. Він складається в основному із дрібних 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 комовою і меленою, а залежно від фізико-хімічних властивостей розділяється на три марки (А, Б, В). Крейда використовують для готування полірувальних матеріалів по обробці шляхетних, а також кольорових металів і їхніх сплавів.

Віденське вапно складається з окису кальцію з невеликими домішками окису магнію, окису заліза й іншими, яка виготовлена з добірного вапна й доломіту, очищених від домішок глини й піску. Кількість домішок не повинне перевищувати 5,5%, а зміст вологи й вуглекислоти повинне бути не більше 2%. Для полірування беруть середні шари прожареного вапняку, що подрібнюють і просівають. Окремі м'які шматки використовують для нанесення глянцю. Віденське вапно використовують також у якості основного твердого тридцятимільйонні при готуванні полірувальних паст. Віденське вапно, що поглинає вологу й вуглекислий газ, перетворюється в речовину, що не володіє ніякими поліруючими властивостями. Щоб уникнути цього, віденське вапно впаковують у герметичну тару.

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

Структура абразивного інструмента характеризується співвідношенням обсягів абразивних зерен, зв'язування й 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.

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

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

Структура абразивних інструментів

Таким чином, абразивні інструменти, що мають однакові зернистість і твердість, але різні структури, різняться між собою по ступені 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 більше відкрита.

Щільна й відкрита структури інструмента показані на мал. 1.2, в, м.

Інструменти відкритої структури мають поліпшені умови відводу стружки й менше тепловиділення. Найбільше ефективно їхнє застосування при обробці грузлих металів, а також металів, схильних до прожогам і тріщин. Області застосування, що рекомендуються, інструмента основних номерів структур наступні:

№ 1...3 - виготовлення інструмента на бакелітовому й керамічному зв'язуваннях при шліфуванні з малим зніманням металу, переважно для обробки шарикопідшипників;

№ 3, № 4 - профільне шліфування, шліфування з більшими подачами й змінним навантаженням, відрізні роботи;

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

№ 7...9 - плоске шліфування торцем кола, внутрішнє шліфування, заточення інструмента;

№ 8...10 - шліфування й заточення інструмента, оснащеного твердим сплавом;

№ 8...12 - профільне шліфування дрібнозернистими колами.

Збільшені розміри пор досягаються добавкою в абразивну масу речовин, що вигорають при термічній обробці інструмента (мелене вугілля, пластмасова крихта, тирса). Такий абразивний інструмент називається високо пористим. Найбільша його ефективність проявляється при обробці дуже грузлих матеріалів, при сухому (без подачі охолодної рідини) шліфуванні й заточенні.

Зв'язування визначає міцність і твердість інструмента, дуже впливає на режими, продуктивність і якість обробки. Розрізняють зв'язування неорганічні й органічні. До неорганічних зв'язувань ставляться керамічна, силікатного й магнезіальна (для алмазного інструмента - металева), до органічних - бакелітова, вулканітова, гліфталева, епоксидна.

Керамічне зв'язування володіє високої вогнеупорністью, водостійкістю, хімічною стійкістю, добре зберігає профіль робочої крайки, кола, але чутлива до ударних і згинаючих навантажень. Застосовують що плавляться й спікаються керамічні зв'язування. Абразивний інструмент із електрокорунду виготовляють на зв'язуваннях, що плавляться, а з карбіду кремнію - на спікливим. Шліфувальні кола з електрокорунду більше міцні, чим з карбіду кремнію.

Силікатне й магнезіальне зв'язування, малопрочні й чутливі до охолодних рідин, мають обмежене застосування. Основна їхня перевага - менше виділення теплоти при шліфуванні.

Абразивний інструмент на бакелітовому зв'язуванні має більше високими міцність (на стиск і вигин) і пружністю, чим інструмент на керамічному зв'язуванні. Він може бути виготовлений різних форм і розмірів, у тому числі й дуже тонким - до 0,5 мм для відрізних і прорізних робіт. Недоліком бакелітового зв'язування є невисока стійкість до впливу охолодних рідин, що містять лужні розчини. Для підвищення цієї стійкості кола покривають лаком, суриком або якою-небудь водонепроникною фарбою, іноді просочують парафіном. При шліфуванні колами на бакелітовому зв'язуванні охолодна рідина повинна містити не більше 1,5% лугу.

Кола на бакелітовому зв'язуванні володіють меншої кромко стійкістю, чим на керамічній. Бакелітове зв'язування має більше слабке, чим керамічна, зчеплення з абразивним зерном, тому інструмент на цьому зв'язуванні широко використовують на операціях плоского шліфування, де необхідне самозагострювання кола. Бакелітове зв'язування, що має невисоку теплостійкість, вигорає при нагріванні до 250 - 300 °С, а при 200°С и вище вона здобуває крихкість. Абразивний інструмент на бакелітовому зв'язуванні частіше виготовляють із електрокорунду нормального й карбіду кремнію чорного.

Основою вулканітового зв'язування є термічно оброблена суміш каучуку із сіркою, тому інструмент на такому зв'язуванні, що здобуває властивість еластичності, використовується при обробці фасонних поверхонь і профільному шліфуванні. Кола на вулканітовому зв'язуванню працюють на швидкостях до 60 м/с і можуть бути виготовлені товщиною 0,3...0,5 мм для відрізних робіт.

Вулканітове зв'язування в порівнянні з керамічної значно гірше втримує абразивні зерна, що компенсується підвищенням її кількості за рахунок зменшення пор (мал. 1.2, д, е). Внаслідок цього інструмент на вулканітовому зв'язуванню відрізняється щільною структурою, що викликає збільшене тепловиділення при шліфуванні. Низька теплостійкість каучуку (150 ...180° С) приведе до розм'якшення й вигоряння зв'язування при інтенсивному різанні. Абразивні зерна заглиблюються в еластичне зв'язування й ріжуть на меншій глибині подібно більше дрібнозернистому інструменту, забезпечуючи найменшу шорсткість поверхні. Ці особливості зв'язування ефективно використовуються при чистовій обробці фасонних поверхонь.

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

Внаслідок економічних зв'язків, що розширюються, із закордонними країнами в імпортується абразивний інструмент, що має маркування, що відповідає стандарту країни-експортера. Нижче для приклада представлені дані по маркуванню абразивного інструмента, що відповідають стандарту США ANSI В 74.13-1972.

Абразивний матеріал позначають буквами:

електрокорунд - A;

ельбор - B;

карбід кремнію (SiC) - З;

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, позначуваними латинськими буквами:

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 більше відкрита (відкрита структура може позначатися цифрами й більше 16).

Дев'ять видів зв'язувань позначають у такий спосіб:

B - бакелітова;

BF - бакелітова з посиленням;

E - шелакова;

M - металева;

O - магнезіальна;

R - Вулканітова;

RF - Вулканітова з посиленням;

S - силікатна;

V - керамічна.

Як приклад можна привести наступне маркування шліфувального кола: 51A36L5V23 (останні цифри є фірмовим елементом маркування, що може опускатися).

Література

1. Кисельов С.П. Полірування металів. - К., 1997.

2. Корчак С.Н. Прогресивна технологія й автоматизація круглого шліфування. - К., 2003

3. Маслов Е.Н. Теорія шліфування матеріалів. - К., 1994.

Масловский В.В. Дудко П.Д. Полирование металлов и сплавов. - М., 1974.

4. Попилов Л.Я. Полирование. Справочная книга по отделочным операциям в машиностроении. - Л., 1966.

5. Редько С.Г. Процессы теплообразования при шлифовании металлов. - Саратов. 1962.

6. Хрущев М.М. Бабичев М.А. Абразивное изнашивание. - М., 1970.