Естественные абразивные материалы

Алмаз — самый твердый природный минерал, представ­ляющий собой модификацию углерода кристаллического строения.

В естественных условиях алмазы встречаются в виде отдельных монокристаллов, их обломков или сросшихся кристаллов — агрегат различной величины и массы. Кристаллы или агрегаты кристаллов могут иметь форму куба и призм (октаэдра, ромбододекаэдра и др.).

Алмаз — относительно чистый, прозрачный (бесцветный, окрашенный или матовый) материал. В отдельных алмазах могут быть примеси в виде оксидов железа, кремния, алюминия и других металлов.

В зависимости от примесей алмазы бывают голубые, жел­тые, зеленые, коричневые, красные и черные. Общая суммарная массовая доля примесей достигает 4,8 %.

Алмазы обладают высо­кими механическими свойствами, твердостью, износостойкостью высокой прочностью на изгиб, сжатие и кислотостойкостью. В оп­ределенных условиях (температура, давление, состояние рабочего тела) алмаз может растворяться в соде, натриевой, калиевой се­литре и расплавах щелочей.

Износостойкость алмаза в 100 — 200 раз выше, чем у других абразивов, и

в 5 000—10 000 раз выше, чем у твердых сплавов. Твердость алмаза по шкале минералов (Мооса) — 10 единиц (наи­высшая), плотность — 3,40...3,54 г/см³, прочность на изгиб со­ставляет -_из = 300 МПа, на сжатие — _сж = 2 000 МПа, модуль упругости — _е = 900 ГПа. Упругость алмазов в 1,5 раза выше, чем у твердых сплавов и в 2,5 раза выше, чем у карбида кремния.

Ал­маз хрупок, имеет низкое сопротивление изгибу и вибрациям, обладает адгезионными свойствами (прилипаемость). При повы­шении температуры (до 900 °С и выше) адгезия возрастает.

Масса алмаза измеряется в каратах (1 кар = 0,2 г). В природе в чистом виде алмаз встречается в виде кристаллов различной величины и массы и добывается россыпным путем.

В зависимости от структуры, формы кристаллов и свойств раз­личают следующие разновидности природных алмазов:

• балласы — алмазы, имеющие шарообразную непрозрачную структуру кристаллов;

• борты — алмазы, имеющие искаженную структуру;

• карбонадо — алмазы, имеющие мелкодисперсную структуру с порами (имеет самую высокую твердость).

В практике по назначению различают два вида алмазов:

• ювелирные — чистые, прозрачные, разного цвета мине­ралы;

• технические — как правило, непрозрачные, крупные мине­ралы, обладающие ценными физико-механическими свойствами (теплостойкостью, прочностью, вязкостью, твердостью, износо­стойкостью в абразивных средах и кислотостойкостью).

Основная масса добываемых в России алмазов — это техничес­кие алмазы. Алмазы в виде кристаллов и порошков применяются для оснащения режущих инструментов (токарные резцы, фрезы, резцы для правки абразивных кругов, пил для резки и обработки камня, точения твердых и вязких материалов, таких как эбонит, вулканит, сплавы меди и др.). Алмазные зерна в свободном неза­крепленном состоянии, порошки и алмазная пыль применяются для шлифования и полирования различных твердых материалов (твердых сплавов, драгоценных камней и других трудно обраба­тываемых материалов).

Кроме того, для этих целей и заточки твердосплавного инстру­мента применяются абразивные круги с алмазным напылением.

Ал­мазно-металлические карандаши, ролики и державки (с начекане­нными отдельными алмазными зернами) применяются для прав­ки различного абразивного инструмента.

Из алмазов, не имеющих изъянов, изготавливают резцы для алмазной обработки, наконеч­ники твердомеров, волоки (для волочения проволоки) и различ­ные инструменты для правки шлифовальных кругов.

Из некаче­ственных алмазов изготавливают алмазные микропорошки и пас­ты. Кроме того, алмазные вставки применяются для оснащения буровых коронок, шарошек, фильер, волок, резки стекла и др.

Широкое применение в машиностроительной практике нашла металлизация алмазов, которая производится электролитическим, вакуумным напылением, химическим и электрохимическим ме­тодами. При металлизации зерна алмаза покрываются тонким слоем меди, никеля, серебра, титана и их сплавов, что устраняет мел­кие дефекты алмазов (трещины, поры и раковины).

Металлы оказы­вают цементирующее действие на поверхности зерен алмаза, что приводит к увеличению прочности агрегатов алмазов в 1,5 — 2,5 раза.

С помощью металлизации увеличиваются размеры агрегатов, со­стоящих из 3— 10 отдельных алмазных зерен. Абразивный инстру­мент (металлизированные карандаши, оправки, накатки и др.) обладают более высокой износостойкостью и абразивной способ­ностью, чем неметаллизированные алмазы.

Гранат

Гранаты — это минералы сложного химического соста­ва (оксиды алюминия, железа, хрома и других элементов в соеди­нении с кремнекислотой). Гранаты относятся к сложной группе силикатов.

Гранаты в зависимости от химических элементов, вхо­дящих в их состав, имеют различные цвета: желтый с медным от­тенком (гроссуляр), буро-красный или черный (андрадит), изумрудно-зеленый (уваровит), красный (альмандин), темно-красный (пироп), оранжево-желтый (спессартин) и другие цвета со стек­лянным блеском.

В добываемых рудах массовая доля граната состав­ляет 15 %. В обогащенных концентратах она достигает 45 ...90 %. В ка­честве естественных (природных) абразивных материалов (напол­нителей) используют зерна граната изоформной (примерно одинаковые размеры по всем трем направлениям) формы (альмандин, пироп, спессартин).

Из граната делают шлифпорошки и шлифзерно, которые идут на изготовление шлифовальной шкурки для обработки древесины, пластмасс и других мягких материалов, Также порошками граната обрабатывают стекло.

Корунд

Корунд — это природный (безводный) минерал (Аl₂O₃ ), состоящий из оксида алюминия. Может содержать примеси: кварц и другие минералы, которые с оксидом алюминия образуют хими­ческие соединения.

Примеси существенно снижают абразивные свойства инструментов.

Корунд может быть серого, синеватого, бе­лого, красноватого, желтоватого, зеленоватого цветов.

Прозрачные разновидности корунда относятся к драгоценным камням и носят особые названия: красный — рубин, синий — сапфир, бесцвет­ный — лейкосапфир.

Корунд обладает следующими свойствами' плотность составляет 4 г/см³, теплостойкость — 1 700... 1 800 °С, аб­разивная способность (зерно № 16 по стеклу) А.с. — 0,135 единиц микротвердость — 19 • 10³...22 • 10³ МПа, твердость по шкале мине­ралов (Мооса) составляет 9 единиц, уступая алмазу.