книги из ГПНТБ / Маслов, Е. Н. Теория шлифования материалов

Кремень (Кр) — минерал, состоящий в основном из окиси кремния (до 97% S i0 2), с примесью других мине­ ралов.

Природные абразивные материалы успешно заменяются искусственными.

Синтетический алмаз (АС) получается" из алмазообра­ зующего материала, содержащего углерод, с применением катализатора. В качестве ал­ мазообразующего материала на­ иболее часто примбняют графит (реже — сажу или древесный

давления и температуры происходит расплавление ката­ лизатора с перестройкой атомов углерода из гексагональ­ ной структуры, которую имеет графит, в кубическую, которую имеет алмаз (рис. 21). При этом свойства веще­ ства резко изменяются и из мягкого графита образуется сверхтвердый материал — алмаз.

Согласно диаграмме состояния системы алмаз—графит (рис. 22) нижний предел давлений и температур, необходи­ мый для образования алмаза с применением данного ката-

30

лизатора, устанавливается кривой, определяющей гра­ ницу между алмазом и эвтектикой, состоящей из алмаза и метастабильного графита [184]. Алмаз синтезируется примерно при следующем режиме: давлении р = !0 000н- -г-20 000 МН/м2, температуре 1500н-2500° С, времени вы­ держки примерно 1 мин [184]. В результате синтеза обра­ зуются сравнительно мелкие кристаллы алмаза массой 0,2—0,8 кар., размером в поперечнике не свыше 1,0 мм. При повышении давления температура, необходимая для получения алмаза, снижается. Прочность и качество кри-

Таблица 1

Характеристика шлифпорошков

Марка

и название алмазного Свойства зерен Область применения

порошка

31

Таблица 2

сталлов синтетического алмаза определяются составом алмазосодержащего материала и режимом синтеза.

В соответствии с ГО<^Т 9206—70 выпускается пять марок шлифпорошков из синтетических алмазов (АСО, АСР, АСП, АСК и АСС), различающихся главным обра­ зом механическими свойствами (прочностью, хрупкостью), а также формой и степенью шероховатости поверхности (табл. 1). Зернистость алмазных шлифпорошков, изме­ няется от 400/250 до 50—40 (табл. 2).

Порошки широкого диапазона зернистостей применяют для массового шлифования, а порошки узкого диапазона — для получения более качественной поверхности. Зерна синтетического алмаза АС0250/200, сфотографированные в проходящем свете, приведены на рис. 23.

Согласно ГОСТ 9206—70 микропорошки из синтети­ ческих алмазов выпускаются двух марок:

ACM — нормальной абразивной способности; рекомен­ дуется для изготовления алмазно-абразивного инстру­ мента, паст и суспензий для обработки твердых сплавов, стекла, кварца, фарфора, германия, кремния и многих других наиболее твердых и хрупких материалов.

АСН — повышенной абразивной способности; реко­ мендуются для изготовления инструмента, паст и суспен­ зий, применяемых при обработке кристаллов природных и синтетических алмазов, корунда, рубина, специальной

32

керамики и других сверхтвердых, хрупких и труднообра­ батываемых материалов. Рассматриваемые микропорошки выпускаются следующей зернистости: 60/40, 40/28, 28/20, 20/14, 14/10, 10/7, 7/5, 5/3, 3/2, 2/1, 1/0. С увеличением размеров алмазных зерен угол ß наклона граней возра­ стает как у природного, так и у синтетического алмаза. При одном размере зерна угол наклона граней у синтети­ ческого алмаза больше, чем у природного, а ра­ диус округления р вер­ шины меньше.

Большое значение приобретают новые син­ тетические поликристаллические алмазы АСБ (баллас) и АСПК (карбонадо), созданные

вИнституте физики

др.), и они в известной мере заменяют природные алмазы. Для изготовления рез­

по износостойкости не уступающий природным алмазам [7]. «Славутич» применяют для изготовления буровых долот, правящих инструментов (карандашей, брусков,

фасонных роликов, блоков) и др.

Кубический нитрид бора (КНБ) — сверхтвердый мате­ риал, впервые синтезированный в 1957 г,, содержит 43,6% бора и 56,4% азота [8].

Кристаллическая решетка КНБ является алмазопо­ добной, т. е. она имеет такое же строение, как и решетка алмаза, но содержит атомы бора и азота. Параметры кри­ сталлической решетки КНБ несколько большие, чем решетки алмаза; сказанным, а также меньшей валент-

Кристаллы кубического нитрида бора имеют: параметр

кристаллической решетки а = 3,616 Â, плотность (3,4-г- -ь 3,5)-ІО3 кг/м2, среднюю микротвердость 91 000 МН/м2, теплостойкость до 1200° G и абразивную способность 0,8 при шлифовании корунда порошком зернистости 10/7.

Рассматриваемые кристаллы получают путем синтеза гексагонального нитрида бора при наличии растворителя (катализатора) в специальных контейнерах на гидравли­ ческих прессах, обеспечивающих требуемое высокое давле­ ние (порядка 300-т-980 МН/м2) и высокую температуру (около 2000° С) [8]. В отличие от алмаза, кубический нит­ рид бора нейтрален к железу и не вступает с ним в хими­ ческое взаимодействие.

Созданный в последние годы новый сверхтвердый поликристаллический технический нитрид бора (ПТНБ) успешно применяют для изготовления резцов, волок и другого однокристального инструмента для обработки деталей из закаленных сталей [27 ].

Высокая твердость, термостойкость и нейтр-альность к железу кубического нитрида бора сделало его весьма перспективным сверхтвердым материалом для обработки различных железосодержащих сплавов (легированных сталей и др.), обеспечивающим резкое снижение адгезион­ ного и диффузионного износа инструмента (по сравнению с алмазным).

Синтетические абразивные материалы получают вы­ плавкой в печах и после остывания разбивают на куски, которые на дробилках превращаются в зерно и порошок.

Электрокорунд — материал на основе окиси алюми­ ния (А120 3) в ее кристаллической форме, получаемый путем восстановительной плавки пород, богатых глино­ земом (бокситы, чистый глинозем) в электропечах. В зави­ симости от содержания окиси алюминия электрокорунд имеет различный цвет, структуру, свойства и выпускается трех основных разновидностей: нормальный, белый и монокорунд.

Нормальный электрокорунд (Э) состоит из корунда с незначительной примесью шлака (гексаалюмината каль­ ция, анортита, стекла, титанистого минерала) и ферро­ сплава. Выпускаемый электрокорунд делится на группы: Э95, Э93, Э92 и Э91; он применяется для шлифования

34

материалов с высоким пределом прочности на растяжение (стали, ковкого чугуна, мягкой бронзы и др.).

Белый электрокорунд (ЭБ) является более однородным по своему химическому составу и физическим свойствам по сравнению с нормальным электрокорундом и выпу­ скается трех групп: ЭБ99, ЭБ98, ЭБ97.

Зерна белого электрокорунда являются многогранни­ ками неправильной формы, различающимися размерами. Наиболее часто встречаются зерна белого электрокорунда, по форме напоминающие октаэдр. Новые сорта электро­ корунда (хромистый, циркониевый и др.) обладают по­ вышенным содержанием монокристаллов, изометричностью зерна и^врісокими абразивными свойствами.

.Монокорунд (М) имеет весьма высокое (до 99%) содер­ жание кристаллической окиси алюминия. Он получается

вэлектропечах сплавлением боксита с сернистым железом

ивосстановителем. В результате плавки получается блок, состоящий из зерен корунда, сцементированных суль­ фидами алюминия, кальция и частично титана. При после­ дующей обработке блока водой зерна монокорунда осво­ бождаются от сульфидов, проходят обогащение и рассев. Монокорунд обладает высокой режущей способностью и применяется для шлифования деталей из легированных закаленных сталей с низкой теплопроводностью при чи­ стовых и получистовых операциях.

Карбид кремния (карборунд) является химическим соединением кремния с углеродом (SiC), получаемым плавкой в электропечах при высокой температуре (2100— 2200° С). Сырьем для получения карбида кремния яв­ ляется кварцевый песок и углеродистые вещества — неф­

тяной кокс и антрацит. Процесс производства карбида кремния заключается в силицировании частиц углерода парами кремниевой кислоты.

Технический карбид кремния бывает двух видов. Зеле­ ный карбид кремния (КЗ) с содержанием SiC ke менее 97%; он является наиболее твердым, но менее вязким и применяется главным образом для затачивания твердо­ сплавного режущего инструмента. Черный карблд крем­

(рис. 24). Широко применяется для шлифования метал­ лов с малым пределом прочности на разрыв, как, напри­ мер, серый и отбеленный чугун, медь, латунь, алюминий, хрупкие сорта бронзы и др.

Рис. 24. Абразивные зерна карбида кремния (SiC), сфотографирован­ ные в проходящем свете (X 100); зернистость:

а _ 20; б — 25; в — 32; г — 40; д — 63; е — 80

36

Карбид бора (КБ) — материал, состоящий из кристал­ лического карбида бора (до 94% В4С) и небольшого коли­ чества примесей; он получается в электропечи из техни­ ческой борной кислоты (В20 3) и малозольного углероди­ стого материала — нефтяного кокса.

При прочих равных условиях с уменьшением размеров абразивных зерен средняя величина радиуса округления каждого зерна уменьшается. В пределах каждой группы зернистости средние значения радиусов округления зерен изменяются незначительно. При прочих равных условиях абразивные зерна карбида кремния являются более ост­ рыми (имеют меньшую величину р) по сравнению с зер­ нами электрокорунда. Радиусы округления р вершин абразивных зерен приведены в табл. 3. В процессе шли­ фования, когда абразивные зерна притупляются, округ­ ленность их вершин возрастает и часто на них образуются площадки износа.

Для белого электрокорунда зернистости 40 устано­ влена зависимость между радиусами округления и углами граней вершины зерен [21]:

Pßmax = 0,032ßmax + 0,0096 мм; 1

Pßrnm = 0,032ßmax — 0,0636 мм, J

гДе ßmax и Рты — наибольшая и наименьшая величина углов граней зерна в радианах.

Из выражения (13) следует, что с уменьшением угла граней вершины зерна радиус округления его вершины уменьшается. С уменьшением размеров абразивных зерен, средняя величина углов граней вершины зерен также уменьшается и находится в пределах ПО—91,5° в зави­ симости от зернистости (40—М28).

37

Измеренные углы при вершине колеблются в пределах 40—150°; при этом процент острых углов граней вершины зерна (до 90° включительно) составляет: 12,2—25% для зернистости 40, 43—46% — для зернистости М28. Угол при вершине влияет на динамическую прочность зерна.

Шлифовальный инструмент

Шлифовальный инструмент — режущий инструмент,

состоящий из зерен шлифующего материала, сцементи­ рованных в одно целое тем или иным связующим веще­ ством (связкой), применяемый для шлифования материа­ лов. Такой инструмент изготовляют в виде кругов, голо­ вок, лент (на гибкой основе) и др.

Шлифовальный инструмент характеризуют: геометри­ ческая форма и размеры, материал, связка, зернистость, твердость, структура и концентрация зерна — для ал­ мазно-абразивных и кубонитридоборных-абразивных.

В качестве шлифовальных материалов применяют:

1)природные — природный алмаз, корунд, кремень и др.;

2)синтетические — синтетический алмаз, кубический ни­ трид бора, электрокорунд, карбид кремния, карбид бора

иразличные композиции из них.

Для эффективной обработки необходимо, чтобы при температуре, развивающейся в зоне шлифования (400— 600° С и выше), соблюдалось неравенство

т. е. чтобы твердость шлифующего материала # ш была не менее чем в 1,5—2,0 раза выше твердости обрабатываемого материала Н0.

Алмаз и кубический нитрид бора обладают наивысшей твердостью. Ниже приведена средняя микротвердость алмаза, кубического нитрида бора, а также инструмен­ тальных и конструкционных материалов (в МН/м2 при

ХВГ — 4500; сталь 50—1960. G повышением температуры твердость материалов снижается. Например, при нагреве электрокорунда от 20 до 1000° G его микротвердость сни­ жается от 19 800 до 5880 МН/м2 (рис. 25).

38

Шлифующие материалы должны обладать химической инертностью к обрабатываемому материалу при высокой температуре, развивающейся в зоне шлифования. В от­ дельных случаях это условие не выполняется.

Алмазный инструмент бывает многокристальный или алмазно-абразивный (круги, диски, головки, бруски и др.) и однокристальный (резцы, выглаживатели и др.).

Алмазный шлифовальный круг — инструмент в виде тела вращения заданной формы, состоящий наиболее часто из корпуса с закрепленным на нем алмазоносным

Рис. 25. Микротвердость Ямт при нагревании электроко­ рунда и карбида кремния от 20 до 1000° С

слоем (кольцом) толщиной 1,5—3 мм. Корпуса алмазных кругов изготовляют из стали, алюминиевых сплавов и пластмасс. Алмазные круги малых размеров изготовляют полностью из алмазоносного слоя (кольца) без корпуса. Форма и расположение режущей части на корпусе обусло­ влены назначением круга.

Алмазоносный слой — рабочий слой алмазного круга, состоящий из зерен алмазного порошка, связки и напол­ нителя. Наполнитель вводят в алмазоносный слой для повышения стойкости и режущих свойств инструмента. Алмазный круг имеет, как правило, безалмазный слой, расположенный между корпусом инструмента и алмазо­ носным слоем и предназначенный для предохранения обрабатываемой поверхности от повреждения при полном износе алмазного слоя. Характеристикой алмазно-абра­ зивного инструмента являются: тип инструмента, его габаритные размеры, вид зерна, связка, зернистость и концентрация алмаза в алмазоносном слое.

Концентрация алмаза в алмазоносном слое — содер­ жание массы алмазного порошка в 1 мм3 алмазоносного слоя, выражеңное в процентах. За 100%-ную концентра­ цию алмаза условно принято содержание 0,878 мг (или

39