1.6. Абразивные материалы и инструменты абразивные материалы

Абразивным материалом называют вещества природного или синтетического происхождения, содержащие минералы высокой твердости и прочности, зерна и порошки которых способны обрабатывать поверхности других твердых тел путем царапания, скобления или истирания. Их применяют для изготовления шлифовальных и заточных кругов, головок, брусков, хонов, а также для доводочных и полировочных паст и порошков. Абразивные материалы разделяются на естественные и искусственные. К первым относятся кварц SiO₂, наждак и корунд. Все они содержат природные примеси, имеют сравнительно низкие режущие свойства и поэтому мало применяются в абразивной промышленности. Кроме того, запасы корунда в природе ограничены. Его применяют только для доводочных операций и обработки оптического стекла. Для абразивных инструментов в основном применяют искусственные абразивные материалы: электрокорунд, карбид кремния, карбид бора, силикокарбид бора.

Электрокорунд получают методом электрической плавки в дуговых печах при температуре 2000 – 2050⁰С из материалов, богатых окисью алюминия (боксита, глинозема). Электрокорунд весьма твердый, плотный и термостойкий материал. В зависимости от процентного содержания Al₂O₃ электрокорунд бывает нормальный, белый, легированный и монокорунд.

Электрокорунд нормальный содержит до 90 % Al₂O₃; выпускают его марок 12А, 13А, 14А, 15А, 16А. В основном этот материал выпускается марки 15А. Он имеет цвет от серо-коричневого до темно-коричневого и от розового до темно-красного. Применяется для менее ответственных кругов при шлифовании сталей, ковких чугунов и твердой бронзы.

Электрокорунд белый содержит более 97 % Al₂O₃; выпускают его четырех марок 22А, 23А, 24А, 25А. Имеет белый, серовато-белый или светло-розовый цвет; является более твердым, чем нормальный электрокорунд, применяется для более ответственных кругов (резьбошлифовальных, заточных), выполняющих более точные работы, а также для изготовления брусков к хонинговальным и суперфинишным головкам.

Легированный электрокорунд (хромистый, титанистый, циркониевый). Электрокорунд хромистый (технический рубин) получают также как и предыдущие электрокорунды, из глинозема с добавкой от 0,4 % до 2 % Cr₂О₃. Зерна хромистого электрокорунда по сравнению с белым обладают более высокой стабильностью физико-механических свойств и содержат больший процент монокристаллов. Он более твердый, чем белый электрокорунд, по цвету сходен с рубином, имеет темно-розовую или темно-вишневую окраску, выпускается марок 33А, 34А, 35А.

Электрокорунд титанистый (технический сапфир) получают также путем плавки глинозема с присадками 2 – 3 % окиси титана. Его зерна имеют повышенную режущую способность, он тверже хромистого электрокорунда и выпускается под маркой 37А.

Электрокорунд циркониевый получают из глинозема, двуокиси циркония (10 – 40 %) и окислов титана, более твердый и износостойкий, чем титанистый электрокорунд; выпускается под маркой 38А.

Монокорунд – одна из разновидностей электрокорунда, зерна которого состоят из отдельных кристаллов или их осколков. Твердость его выше твердости белого электрокорунда. Он обозначается 4А и имеет марки 43А, 44А, 45А. Его особенность – наличие большого числа граней, а значит и режущих кромок зерна. С увеличением размера зерна структура его ухудшается и снижается прочность. Применяется для скоростных и заточных кругов, а также для микропорошков, обеспечивающих шероховатость обработанной поверхности Rz 0,10 – 0,05 мкм.

Карбид кремния 5iC получают в электропечах при температуре 1800 – 1850⁰С из материалов, богатых кремнеземом и материалов с высоким содержанием углерода (нефтяного кокса, антрацита и т.д.). Карбид кремния обладает большей твердостью и хрупкостью, чет электрокорунд, имеет более острые режущие кромки.

Он разделяется на черный и зеленый карбид кремния.

Карбид кремния черный обозначается 5С, имеет черный или темно-синий цвет, выпускается марок 52С, 53С, 54С, 55С. Марка 52С содержит 95 %, а марка 55С – 98 % карбида кремния. Применяется для заточки инструментов, шлифования твердых сплавов, твердых и хрупких металлов.

Карбид кремния зеленый обозначается 6iС, имеет цвет от светло-зеленого до темно-зеленого, выпускается марок 62С, 63С, 64С. Марка 62С содержит 97 % 5iC, марка 63С – 98 % 5iC, а марка 64С имеет 99 % карбида кремния. Он лучше черного карбида кремния, имеет большую твердость и более острые режущие кромки. Применяется для заточки быстрорежущих и твердосплавных инструментов, правки шлифовальных кругов, для более ответственных случаев шлифования.

Карбид бора B₄С получают при плавке борной кислоты и нефтяного кокса в электрических печах. Он имеет серовато-черный цвет. Карбид бора значительно тверже карбида кремния, но термостойкость его ниже. Поэтому применяется в виде мелких порошков или паст для доводки твердосплавных инструментов.

Силикокарбид бора получают методом восстановительной плавки в дуговой печи смеси борной кислоты, нефтяного кокса и кварцевого песка. Его режущая способность немного выше, чем режущая способность карбида бора. Используется в виде высококачественных микропорошков для обработки технических рубинов, твердых сплавов и других весьма твердых материалов.

Качество абразивных материалов определяется формой и величиной зерен, твердостью, теплостойкостью и другими физико-механическими свойствами. Форма абразивных зерен характеризуется длиной, высотой, шириной. Если все три измерения равны или их отношение близко к единице, то такие зерна называют изотермическими или нормальными. Они имеют наибольшую прочность. Если длина больше высоты, то зерна называют пластинчатыми, и при большем превышении – мечевидными. Абразивные зерна имеют закругление вершины радиусом 3 – 30 мкм. Зернистость характеризует крупность зерен. В зависимости от размера зерен абразивные материалы по ГОСТ 3647-80 делятся на три группы: шлифзерна, шлифпорошки и микропорошки. Шлифзерна и шлифпорошки получаются способом рассева на ситах с контролем зернового состава ситовым методом. Верхний предел размера зерна соответствует размеру ячейки сита, сквозь которое зерно основной фракции проходит, а нижний предел – ячейке сита, на котором зерно основной фракции задерживается. Микропорошки получаются методом статического осаждения в жидкости. При этом чем больше время оседания порошка, тем мельче будет зерно. Контроль зернового состава проводят микроскопическим методом. Абразивные материалы характеризуются высокой твердостью и теплостойкостью. Так, микротвердость электрокорунда (18 – 26)·10³ МПа, а термостойкость 1300–2000⁰С. Карбид кремния имеет микротвердость (28 – 36) ·10³ МПа и термостойкость 1300–1400⁰С.

АЛМАЗЫ

Природные алмазы кристаллизовались на большой глубине при огромном давлении земных недр и высокой температуре (2000 – 2500⁰С) из расплавленной магмы, содержащей углерод. Алмаз самый твердый в природе минерал (10⁵ МПа), устойчивый к физическим и химическим воздействиям. Твердость алмаза зависит от кристаллического строения, т.е. от расположения атомов углерода. Наиболее твердый алмаз, имеющий атомную решетку в виде октаэдра, затем ромбододекаэдра и менее твердый – куб. Обрабатываемость (шлифуемость) алмаза легче в направлении, параллельном граням кристалла, так как в этом направлении атомы наиболее удалены друг от друга. Термостойкость алмаза сравнительно невысокая. В неокисляющейся атмосфере (водороде, азоте) алмаз можно нагревать до температуры более 1000⁰С без изменения его свойств. Заметное окисление алмаза в среде кислорода начинается при температуре 700⁰С. Тепловое расширение алмаза самое низкое, а теплопроводность высокая. Она в 7 раз выше теплопроводности быстрорежущей стали и в 5 раз выше теплопроводности твердого сплава Т15К6. Алмаз отличается низким коэффициентом трения, который в 3 – 4 раза ниже коэффициента трения твердого сплава с обрабатываемым материалом. Алмазы бывают ювелирные и технические.

Ювелирные – наиболее высокосортные алмазы.

На технические цели используют 80 % природных алмазов, особенно для изготовления шлифовальных кругов и доводочных паст, а также для алмазно-металлических карандашей. Технические алмазы разделяются на бортсы, балласы и карбонадо. Наиболее лучшие из них – карбонадо. Это весьма тонкозернистые, твердые и плотные кристаллы, имеющие острые ребра. Учитывая высокую стоимость природных алмазов, а также их недостаточность для удовлетворения нужд промышленности. Институт физики высоких давлений Академии наук СССР в 1960 г. синтезировал алмаз в лабораторных условиях, а Киевский институт сверхтвердых материалов в 1961 г. начал промышленное производство синтетических алмазов из графита при высоких давлении и температуре, т.е. при тех же условиях, при которых образовался природный алмаз. Графит имеет гексагональную структуру. При этих условиях углерод кристаллизуется в более плотную кубическую структурную решетку, свойственную природному алмазу. Синтетические алмазы имеют те же химические и физико-механические свойства, что и природные. Наиболее эффективно алмазные инструменты применяются при обработке твердых и хрупких материалов – твердых сплавов, полупроводников (германий, кремний), рубинов, керамики, мрамора, стекла и др.

Алмазные инструменты нельзя применять для шлифования сталей, так как при этом возникает высокая контактная температура 800 – 1000⁰С и алмаз в атмосфере кислорода сгорает. Все синтетические алмазы и 70 – 80 % природных алмазов подвергаются дроблению для получения алмазных порошков. При этом около 80 % алмазных порошков используется в связанном состоянии для изготовления различных алмазно-абразивных инструментов (шлифовальных кругов, хонов, притиров и др.), а остальные 20 % применяются в свободном состоянии в виде абразивных порошков и паст для доводки и полирования изделий из указанных ранее материалов. Монокристаллы и поликристаллы алмаза или осколки размером более 800 мкм называются алмазным зерном. Совокупность алмазных зерен менее 800 мкм называется алмазным порошком. В зависимости от размера зерен и метода их получения алмазные порошки по ГОСТ 9206-80 делятся на две группы: шлифпорошки и микропорошки.

Шлифпорошки выпускают с размером зерен от 800 до 40 мкм. Классификачия зернистости та же, что и абразивных материалов, но обозначается через дробь, например, 800/630, 630/500, …, 50/40.

Микропорошки выпускают с размером зерен от 63 до 0,5 мкм и обозначаются также через дробь: 63/50, 50/40, …, 2/1, 1/0. Они применяются в основном для доводочных паст.

Шлифпорошки из природных алмазов выпускаются марки А и применяются для инструментов на металлических связках, работающих в условиях высоких удельных нагрузок. Шлифпорошки из синтетических алмазов выпускаются пяти марок: АСО, АСР, АСВ, АСК и АСС. Здесь последние буквы означают соответственно: обычной, повышенной, высокой прочности, крупные К, самые крупные С и прочные. Кроме того, выпускаются микропорошки с покрытием, упрочняющим зерна, способствующим отводу тепла из зоны резания и увеличивающим сцепляемость алмазного зерна со связкой. При обозначении порошка с покрытием к его марке добавляется буква М.

Характеристики абразивных инструментов. При абразивной обработке применяются инструменты на жесткой основе (круги, сегменты, бруски), на гиб­кой основе (эластичные круги, шкурки, ленты), а также пасты и абразивные зерна.

Шлифование и абразивная отрезка выполняются шлифовальным (абразив­ным) кругом в виде диска чашечной, прямоугольной или иной формы. Абразив­ные круги изготавливают из пористого композиционного материала, состоящего из абразивных зерен, связки и пор.

К шлифовальному кругу предъявляют разнообразные и высокие требова­ния. Он должен быть достаточно прочным, жестким, твердым, теплостойким. Прочность необходима, чтобы выдерживать нагрузки от сил резания, закреп­ления инструмента на шпинделе и центробежных сил, жесткость - чтобы обес­печить внедрение абразивного зерна в обрабатываемый материал при шлифо­вании.

Оптимальная твердость круга требуется, чтобы удерживать работоспособ­ные абразивные зерна и освобождать изношенные, а теплостойкость - чтобы сохранять все эти свойства при воздействии высоких температур. Шлифоваль­ные круги характеризуются абразивным материалом, его зернистостью, твер­достью, структурой, связкой, а также классом точности, формой и размерами.

Абразивными материалами называют вещества повышенной твердости, применяемые для механической обработки.

Абразивные материалы могут быть природными (кварцевый песок, корунд, наждак, алмаз и др.) и искусственными (электрокорунд, карбид кремния, карбид бора, синтетический алмаз и синтетический эльбор) (табл. 1.23).

Корунд (окись алюминия А!₂О₃) - менее твердый материал, чем карбид кремния. Поэтому корунд применяется для шлифования сталей (и для заточки стальных инструментов), тогда как карбид кремния применяют для обработки твердых и хрупких материалов: отбеленного чугуна, керамики, стекла, а также мягких металлов (AI, Си).

Карбид кремния (зеленый) применяют также для грубой заточки твердо­сплавных инструментов. Алмазные круги с большим успехом применяют для заточки твердосплавных инструментов, а эльборовые - для тонкой шлифовки сталей, заточки и доводки стальных инструментов, а также совместной заточки твердосплавных пластин и стальных державок (напаянного инструмента).

Используются следующие обозначения абразивных материалов: А - алмаз природный, АС - алмаз синтетический, АР - алмаз синтетический поликри­сталлический, Л - эльбор, nА - материал на основе корунда (п - цифра, харак­теризующая конкретный материал: 13А…16А - электрокорунд нормальный, 23А-25А - электрокорунд белый и т. д.), nС - карбид кремния (52С…54С - чер­ный, 62С…64С - зеленый), КБ - карбид бора.

Таблица 1.23

Физико-механические свойства абразивных материалов

Материалы на основе корунда используются наиболее широко (до 80 %), второе место по распространению на производстве занимает карбид кремния (до 15-20 %). Алмазные и эльборовые абразивные материалы являются весь­ма перспективными и, несмотря на их относительно высокую стоимость, ус­пешно конкурируют с другими абразивными материалами, вытесняя их из неко­торых областей. В качестве примера можно привести чистовую заточку и до­водку твердосплавных инструментов.

Алмазные и эльборовые материалы выпускаются в виде порошков по ГОСТ 9206-80Е: шлифпорошки с размерами алмазных зерен от 40 до 3000 мкм и эльборовых от 160 до 500 мкм, микропорошки с размером зерен не бо­лее 80 мкм, субмикропорошки с размером зерен не более 1 мкм. При сортировке абразивных зерен их просеивают через сита, имеющие ячейки различных размеров.

Размеры зерен характеризуют зернистостью, которую обозначают дробью. В числителе указывается размер ячейки сита в микрометрах, через которое проходят зерна основной фракции порошка, а в знаменателе - размер ячейки сита, на котором зерна этой фракции задерживаются.

В зарубежной литературе зернистость характеризуется числом ячеек сита, приходящихся на квадратный дюйм.

Чем больше номер сита, тем мельче зерна соответствующей фракции. Для зернистости от 36 до 120 ячеек на 1 дюйм содержание зерен в 1 мм³ изменяет­ся от 1 до 1000, а на 1 мм² поверхности круга - от 1 до 110 (рис. 1.10).

Абразивные материалы (кроме алмазных и эльборовых) по ГОСТ 3647-80 разделяются на шлифзерна (2000…160 мкм), шлифпорошки (125…40 мкм), мик-рошлифпорошки ( 63…14 мкм) и тонкие микрошлифпорошки (10…3 мкм). Зерни­стость шлифзерна и шлифпорошка обозначают числом, равным 0,1 размера стороны сита в микрометрах, на котором задерживаются зерна основной фрак­ции, а зернистость микрошлифпорошков обозначают буквой М, за которой сле­дуют число, равное верхнему пределу размеров зерен основной фракции зерен в микрометрах.

Рис. 1.10. Влияние среднего диаметра зерна (зернистости) и струк­туры на число абразивных зерен на единицу поверхности круга: 1 - плотные структуры, 2 - структуры средней плотности (связующий мостик равен 0,33 диаметра зерна), 3 - открытые структуры (связующий мостик равен диаметру зерна)

Для алмазных и эльборовых кругов указывается концентрация зерен в аб­разивном слое. За 100 % принимается содержание 0,878 г/см³ (4,4 карата на кубический сантиметр). 25%-ная концентрация маркируется цифрой 1, 50%-ная - 2, 75%-ная - 3, 100%-ная - 4 (или не маркируется), 125%-ная -5, 150%-ная -6.

Твердость абразивного круга (сегмента, бруска) характеризует способ­ность связки удерживать абразивные зерна.

Если твердость круга недостаточна, то острые работоспособные зерна бу­дут удаляться и круг будет быстро изнашиваться, теряя размеры и форму. Раз­личают несколько групп степеней твердости: весьма мягкие (ВМ1, ВМ2), мягкие (М1, М2, МЗ), среднемягкие (СМ1, СМ2), средние (С1, С2), среднетвердые (СТ1, СТ2, СТЗ), твердые (Т1, Т2), весьма твердые (ВТ) и чрезвычайно твер­дые (ЧТ). По международному промышленному стандарту ДИН 69100 твердость шлифовального круга обозначают латинскими буквами: от А, В, С, D - чрезвычайно мягких, до X, Y, Z - чрезвычайно твердых. Твердость круга должна соответствовать его назначению.

При выборе твердости шлифовального круга учитываются прочностные ха­рактеристики и пластичность обрабатываемого материала, площадь контакта круга с деталью, скорость круга, подача. Чем тверже обрабатываемый матери­ал, тем мягче должен быть шлифовальный круг. Для правки абразивных кругов используют бруски весьма или чрезвычайно твердые. Круги М2…МЗ применяют для заточки и доводки твердосплавных инструментов. Чем меньше площадь контакта (например при круглом наружном или бесцентровом шлифовании не­больших деталей), тем большей должна быть твердость круга. Твердость круга должна повышаться при увеличении нагрузки на абразивные зерна или при высоких требованиях к сохранению формы и размеров круга. Так, для обдирки отливок, поковок вручную применяют круги твердостью СТ2…Т2. При ручной заточке режущих инструментов применяют круги твердостью С1…С2, а при заточке с механической подачей - более мягкие круги СМ1…СМ2. При увеличе­нии скорости круга и уменьшении подачи следует уменьшать твердость круга.

При обработке пластичных материалов и при больших толщинах срезаемо­го слоя, приходящихся в среднем на одно зерно, возникает проблема с разме­щением образующейся стружки. Для этой цели во избежание засаливания кру­га необходимо увеличить размеры пор. Увеличение пористости благоприятно сказывается на снижении температуры и повышении качества поверхностного слоя детали.

Структура характеризует долю пор в объеме абразивного круга. Различают плотные (закрытые) структуры (N 1…4), средние (N 5…8) и открытые (N 9…12). При выборе структуры учитывают пластичность обрабатываемого материала (способность образовывать сливные стружки) и особенности метода шлифо­вания (площадь контакта круга с деталью). Плотные структуры применяют для шлифования твердых и хрупких материалов, а также при тонком шлифовании. Мягкие и пластичные материалы, а также шлифование с повышенной объем­ной производительностью (особенно врезное шлифование) требуют примене­ния открытых структур. Открытые структуры обычно применяют в сочетании с керамическими связками. При этом поры могут быть больше абразивных зерен (до 3 мм) и им присваивают номера от 13 до 18 [16].

Связки применяют керамические (К1…К10), силикатные (С), вулка-нитовые (В), бакелитовые (Б), металлические М, магнезиальные (М) и глифталевые (ГФ).

Керамическая связка получается спеканием технического глинозема с до­бавками. Обладает водоупорностью, температурной и химической стойкостью, сохраняет профиль инструмента. Широко применяется для различных опера­ций шлифования, но чувствительна к ударным и изгибающим нагрузкам. Почти 80 % шлифовальных кругов имеют керамические связки.

Силикатная связка (силикаты натрия) спекается при меньших температурах, чем керамическая. Круги на силикатной связке хорошо самозатачиваются. Применяется для шлифования закаленных сталей и заточки режущих инстру­ментов. Может вступать в реакцию с содовым раствором, применяющимся для охлаждения.

Металлическая связка (на основе алюминия, меди, железа, цинка, олова) применяется для алмазных и эльборовых кругов. Круги на металлической связ­ке сохраняют форму, но склонны к засаливанию.

Бакелитовая связка (на основе синтетической смолы) обеспечивает повы­шенную прочность и упругость, но не выдерживает высоких температур. При­меняется при обдирке, разрезке.

Вулканитовая связка (на основе каучука) обладает высокой упругостью, но не выдерживает воздействия высоких и средних температур.

Применяется для тонких отрезных кругов, ведущих кругов для бесцентрово­го шлифования.

Кроме основы в связки вводятся клеящие вещества, отвердители и напол­нители. Легкоплавкие наполнители (например, свинец) при шлифовании игра­ют роль смазки и поверхностно-активных веществ. Однако применение свин­цовых наполнителей ограничивается экологическими требованиями. В состав органических связок для алмазного инструмента в качестве наполнителей включают карбид бора, железный порошок, карбид кремния, резину.